AutoBank软件在围堰边坡渗流稳定计算中的应用

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430064；2.湖北省洪湖分蓄洪区工程管理局，湖北 荆州 433200)

1 工程概况

洪湖分蓄洪区是长江中下游整体防洪体系的重要组成部分，是处理城陵矶地区超额洪水，保障荆江大堤、武汉市防洪安全的一项重要工程设施，蓄洪区总面积877.49km2。补元退洪闸是洪湖分蓄洪工程中以退洪为主的大型泄水闸，闸址位于长江干堤402+500处，穿堤布置，闸室段采用开敞式平底板结构，共14孔，单孔宽10m。

补元闸施工跨汛期，鉴于破堤施工，围堰作为长江干堤一部分挡水度汛，其导流洪水标准采用相应堤防设计洪水标准。围堰总长约511.60m，全年设计洪水位按29.43m计，堰顶高程30.93m，最大堰高8.83m，堰顶宽6m；设计洪水位29.43m以下边坡为1∶3，以上边坡为1∶2.5；在迎水面27.00m高程处设置1.50m宽平台。围堰断面尺寸见图1。

图1 围堰断面(尺寸单位：cm)

2 地质条件

围堰位于长江干堤外侧滩地，地形平缓。地层为第四系全新统冲洪积堆积地层，具明显的沉积韵律，呈二元结构，上部黏性土层厚15～20m，局部大于20m，下伏粉砂、细砂层。分布的地层主要有：①围堰填土、②淤泥质土、③粉质黏土、④-1粉质壤土、④-2砂壤土、⑤粉砂。各土层物理力学指标见表1。

表1 围堰基础土层物理力学指标值

围堰基础坐落在淤泥质土层上，存在地基承载力低、抗剪强度低以及压缩性高等问题，需要对淤泥质土进行置换处理。技施阶段已将围堰基础范围内淤泥质土全部挖除，围堰基础坐落在粉质黏土层上。

3 计算理论与方法

3.1 渗流计算

二维稳定渗流的微分方程为

第一类边界条件，即水头边界条件为

H|Γ1=f(x,y,z)

第二类边界条件，即流量边界条件为

第三类边界条件，即自由面边界条件为

稳定渗流有限元计算式为

[K]{H}={F}

以上式中kx、ky——x、y方向的渗透系数；

H——饱和—非饱和水流总水头；

[K]——渗透矩阵。

3.2 抗滑稳定计算

抗滑稳定分析采用简化毕肖普法,计算时考虑堰顶汽-20的汽车荷载。

稳定渗流期抗滑稳定安全系数计算采用有效应力法，计算公式为

施工期抗滑稳定安全系数计算采用总应力法，计算公式为

计算水位降落期抗滑稳定安全系数时，采用有效应力法计算用稳定渗流期公式，水位取骤降后水位；采用总应力法计算公式为

式中W——土条重量,kN；

u——作用于土条底端的孔隙压力,kN/m2；

α——条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角,(°)；

b——土条宽度,m；

W1——条块在堤坡外水位以上部分的重量(浸润线以上按湿重度、浸润线以下按饱和重度计)；

W2——条块在堤坡外水位以下部分的重量(按浮重度计)；

Z——堤坡外水位高出条块底面中点的距离，m；

ui——水位降落前堤身的孔隙压力，kN/m2；

γw——水的重度，kN/m3；

Cu、φu——快剪强度指标；

Ccu、φcu——固结快剪强度指标；

C′、φ′——慢剪强度指标。

4 计算过程及结果

4.1 计算工况

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)及围堰的施工、运行条件，拟核算施工期的临水和背水侧堰坡、稳定渗流期的背水侧堰坡、水位降落期的临水侧堰坡三种工况的边坡稳定性。各计算工况及稳定分析内容见表2。

表2 计算工况一览

4.2 计算过程

4.2.1 导入CAD计算断面

在CAD中，按照1∶1000的比例画出计算断面，然后启动AutoBank软件，点击相关按钮直接导入dwg格式断面图，并进行分区。

4.2.2 导入土层信息

在AutoBank软件材料表中输入各个土层的重度、黏聚力和内摩擦角等物理力学指标。

4.2.3 单位划分

采用自动划分三角形网格的方式，进行计算单元划分。划分单元前应检查计算断面中各个土层线的拐点位置，并进行适当调整，使土层线的形状有利于单元网格划分。

4.2.4 边界条件输入

在临水侧和背水侧分别输入水位边界线和出逸边界线。

4.2.5 渗流计算

施工期和稳定渗流期求解稳定渗流，水位降落期考虑时间因素求解非稳定渗流。计算完成后进行渗流场后处理，查看浸润线位置、出逸点、出逸比降以及渗流量等参数是否满足要求。

4.2.6 稳定计算

选定浸润线、计算范围，采用简化毕肖普法依次对3种工况进行计算，得到最危险划弧面及相应的安全系数，判断计算结果的合理性，给出计算结论。

4.3 计算结果

根据以上所述计算参数、水位等计算条件，经计算分析，各工况下围堰边坡的渗流稳定均能满足规范要求，围堰边坡是稳定的，不会发生渗透稳定破坏。计算结果见表3。

表3 围堰基坑边坡抗滑稳定安全系数计算结果

5 结 语

通过上述实例分析，AutoBank软件可较好地模拟围堰断面，快速计算出渗流场及稳定系数，为工程设计、方案优化及施工进度安排提供可靠的计算依据。AutoBank软件与AutoCAD软件同界面使用，建模简单，可视化强，避免了手算的繁杂和不准确性，为工程技术人员进行渗流稳定计算带来了极大的便利。