Autobank软件在渗流稳定应用中的探讨

李炳华 孙德才 程 博 张 峰

1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司；2.南京市水利规划设计院股份有限公司；2.河海大学力学与材料学院

1 引言

水工分析软件Autobank[1]是河海大学工程力学研究所开发的针对目前国内水利行业的计算软件，目前包含渗流计算、稳定计算、应力变形分析和水工建筑物整体稳定分析等四个模块。

经过近二十年的完善和更新，Autobank 已经成为目前水工设计中常用的计算软件之一。本文基于对Autobank求解原理的认识，对渗流计算背水坡边界的施加，坡脚水利坡降的选取以及软弱夹层处理三个问题进行了探讨，并提供了解决方案或示例，供软件使用者参考。

2 背水坡出逸边界的设置

Autobank的渗流计算为有限元求解渗流控制方程[2]：

渗流计算的重点是水头边界的施加。河道堤防、水库大坝背水侧常常没有地表水，但存在地下水位。此时背水坡的边界条件若考虑地下数位，则需要在背水侧人工截断边界施加固定水头边界，但存在地下水位的位置难以确定的问题。若背水坡施加出逸边界，则背水侧的出逸点通常都在坡脚，与事实看似不符。

这里以水库为例，说明背水侧边界的施加。一般情况下水库蓄水过程是一个背水坡水位线不断抬高的过程，此时可以用非稳定渗流计算方法计算坝体内浸润线变化过程。如图1所示，水位由库底24h 上升至蓄水位112.0m，分别计算水位升高至蓄水位（T=24h），继续往后计算至第五天（T=120h）及第十天（T=240h）。

图1 水库大坝的蓄水过程

可见，随着蓄水和蓄水后的时间增长，下游坡水位是一个不断抬高的过程，即该过程是一个非稳定渗流。因此也可以认为这种蓄水情况下绝对的稳定渗流状态不存在的。通常地勘给定的堤后地下水位也仅仅是某一时刻的水位，不能代表稳定渗流状态下该处的水位，因此以该地下水位作为渗流计算的边界也不合适。

若背水坡加出逸边界，则可以认为这种计算结果表达的意思是背水坡水位线抬高的一个最高位置，是上述水位线抬升计算的一个极限。通常情况下以此水位计算进行稳定计算得到的结果偏于保守。因此渗流计算背水坡无水情况下建议在背水坡设置出逸边界。

背水坡地表以上存在固定水位也是常遇到的情况，此时的计算只需要将背水坡水位线以下设置固定水头边界，以上设置出逸边界，模拟出逸的可能。

3 坡脚水力坡降的选取

通常水工设计中，坡脚为一个折角，存在一个尖点。在稳定渗流计算中，若出逸点发生在坡脚，此时该处为水力坡降的奇异点，其数值无穷大[3]。有限元数值计算结果显示坡脚的水力坡降也急剧变大，如图2 所示斜墙坝，有限元计算得到的水力坡降在坡脚处为0.539，若该值作为出口水力坡降已显得偏大。文献[4]也讨论了该问题，并引入了圆弧连接段来消除该奇异性。

图2 有限元渗流计算坡脚水力坡降

通过水力坡降的定义[5]本文提出一种通过等势线计算坡脚水力坡降的方法。

（1）绘制渗流等势线图，如图3（a）。

（2）在出逸点附近区域，量取5%等势线到出逸点的最小距离：

见图3（b），同时计算该等势线到出逸点的水头差：

（3）该5%水头耗损区域的平均水力坡降：

以此表示出逸点附近的水力坡降，其值也较为合适。

若出逸点水力坡降变化剧烈，5%的区域较小，也可通过计算10%的区域平均水力坡降作为出逸点附近的水力坡降。通常水头值作为有限元的基本未知量首先求得，精度也较高，因此以上述方法求得的水力坡降作为出口区域的水力坡降较为精确也较有工程意义。

图3 通过等势线计算水力坡降示意图

4 软弱层非圆弧面的搜索

目前Autobank的边坡稳定计算模块中提供圆弧和抛物线两种滑面形式的最小安全系数搜索，并可以对任意形状滑面的安全系数计算。但是对于很多实际边坡问题，其边坡内部存在裂隙、软弱带等，其安全系数最小滑面未必是圆弧或抛物线，若以圆弧或者抛物线形状强行搜索，则可能因为滑面形状限制，得到的安全系数可能偏危险。

为解决这一问题，可以利用Autobank 提供的软弱夹层标记这一工具。稳定计算中，程序搜索中，若该滑弧（圆弧或抛物线形式）穿插通过软弱夹层标记，则另外多考虑通过该标记的滑弧，此时搜索得到的最小安全系数将可能比单纯的圆弧或抛物线搜索结果还要小。

例如全防渗的尾矿库库底通常在库底和初期坝的上游侧铺设防渗膜。此时土工膜的存在将使库底出现强度薄弱带，若强制以圆弧或者抛物线搜索，得到的安全系数可能并非最小。如图4（a）所示的的尾矿库剖面的稳定计算，安全系数Ks=1.324，滑面底部通过土工膜引起的软弱夹层，由于滑弧形状的限制，滑弧只有部分通过软弱夹层。若在软弱层作软弱夹层标记，计算得到的安全系数Ks=1.182，滑面的部分与库底土工膜完全重合，图4（b）。此时的滑面是完全可能发生的，而安全系数更小，所以以此作为该剖面的安全系数更为合理。

图4 软弱夹层标记

5 结语

本文在熟悉Autobank 软件的基础上，对其在渗流稳定计算中的几个问题进行了探讨，包括一些软件功能的应用，以作为设计人员使用该软件的参考。