基于Autobank与Geo-studio对土石坝稳定计算的对比分析

吴静宇，费文平，陈 丹

（1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川 成都 610065；2.四川大学水利水电学院,四川 成都 610065；3.四川省都江堰东风渠管理处,四川 成都 610000）

1 引言

我国所有水库当中土石坝水库占90%[1],而大部分土石坝均是于上世纪修建,工程质量难以保证,水库经过多年的运行土石坝的渗流及坝坡稳定问题成为大坝主要的病害问题,据统计全国存在渗漏问题的水库占77%[2],同时因渗漏问题而失事的水库占总体的25%。在实际工程中,对于土石坝的渗流及坝坡稳定问题的分析变得尤为重要。基于此,本文利用水利行业常用的Avtobank[3]与Geo-stvdio[4][5]有限元分析软件对实际工程的渗流及坝坡稳定进行计算并对比分析两个软件在计算结果中存在的区别及所得结果的可靠性。

2 Avtobank与Geo-stvdio软件的稳定计算

2.1 水库概况

工程水库是是一座以农业灌溉为主的小（1）型水利工程。该水库枢纽主要建筑设计洪水标准为30 年一遇洪水设计,500 年一遇洪水校核。水库大坝为均质土坝,坝顶高程453.32 m。总库容124.34 万m3,正常库容64.90 万m3,设计洪水位为451.83 m,相应库容为103.12 万m3；校核洪水位452.98 m,总库容124.34 万m3。大坝现状为粘土均质土坝,坝顶长106.0 m,坝顶宽5.0 m,坝顶高程453.32 m,最大坝高17.0 m。上游坝坡自下而上边坡分别为1∶3.0、1∶2.5,于高程448.57 m处设宽2.0 m的马道；下游坝坡自下而上边坡分别为1∶2.5、1∶2.25,于高程448.57 m处设宽1.5 m的马道,坝脚设堆石棱体。

2.2 材料参数及分区

根据对该水库大坝的工程地质勘察工作及土工试验成果,坝体材料参数选取见表1。

表1 主要材料物理力学指标建议值

本文选择设计水位工况进行计算,选择最大坝高断面作为典型横剖面,水库大坝渗流及坝坡稳定分析剖面图见图1。

图1 典型横剖面计算简图

2.3 Autobank软件稳定计算

2.3.1 Autobank软件渗流有限元计算方法

Avtobank在稳定渗流状态,采用达西定律的非均各向异性二维渗流场进行计算,其水头势函数微分方程：

式中：φ=φ（x,y）为待求水头势函数；x,y为平面坐标；Kx,Ky为x,y轴方向的渗透系数。

2.3.2 Autobank软件渗流计算及结果

用Avtobank的渗流模块进行大坝渗流分析时,在确定典型断面后,需要确定材料参数、网格参数等内容。其渗流计算流程见图2。

图2 Autobank渗流计算流程简图

通过Avtobank的渗流模块进行大坝渗流分析得出,在设计洪水位工况下大坝典型断面单宽渗流量为0.00019 m3/s,水头等值线及浸润线（用于稳定计算）见图3。

图3 水头等值线及浸润线图

2.3.3 Autobank稳定计算及结果

Avtobank稳定计算过程基于渗流计算成果进行,此外需要定义计算工况、选择计算方法及给定危险滑动面的搜索范围,本次坝坡稳定计算流程见图4。Avtobank稳定模块内的求解方法包括瑞典圆弧法、毕肖普法、摩根斯顿法及瑞典圆弧法（容重代替）,其中本文稳定模块的求解方法采用摩根斯顿法。

图4 Autobank稳定计算流程简图

通过Avtobank的稳定模块进行大坝稳定分析得出,在设计洪水为工况下大坝典型断面上游坝坡最小安全系数Kmin=4.10,下游坝坡最小安全系数Kmin=1.91,均大于规范允许值[k]=1.25[6],因此现状坝坡满足稳定要求。具体计算结果见图5、图6。

图5 上游坝坡稳定计算成果图

图6 下游坝坡稳定计算成果图

2.4 Geo-studio软件稳定计算

2.4.1 Geo-studio软件渗流有限元计算方法

Geo-stvdi软件中有饱和-非饱和渗流计算方法[7]及仅限饱和渗流计算方法两种材料渗流计算模型,仅限饱和渗流计算方法与Avtobank渗流计算方法相同,饱和-非饱和渗流计算方法的二维渗流的控制方程为：

式中：h（x,y,z,t）为待求水头函数；Kx和Kz为以x,z轴为主轴方向的渗透系数；C为容水度,；θ为单位体积含水率。

2.4.2 Geo-studio软件渗流计算及结果

用Geo-stvdio的SEEP/W模块进行大坝渗流分析的流程与Avtobank软件的计算流程除材料参数定义的内容及网格划分选项存在不同,主要流程基本相同,具体流程见图2,本次计算坝体填筑粘土的渗流材料模型选择饱和-非饱和渗流模型,其他材料选择仅限饱和渗流模型。通过SEEP/W模块进行大坝渗流分析得出,在设计洪水位工况下大坝典型断面单宽渗流量为0.00023 m3/s,水头等值线及浸润线（用于稳定计算）见图7。

图7 水头等值线及浸润线图

2.4.3 Geo-studio稳定计算及结果

用Geo-stvdio软件的SLOPE/W模块进行稳定计算过程同样基于渗流计算成果进行,SLOPE/W模块的稳定计算流程相对比较简单,具体流程见图8。Geo-stvdio的SLOPE/W模块内的求解方法包括瑞典圆弧法、毕肖普法、简布法和摩根斯坦法等13种方法,其中本文稳定模块的求解方法采用摩根斯顿法。

图8 Geo-studio稳定分析流程简图

通过Geo-stvdio的SLOPE/W模块进行大坝稳定分析得出,在设计洪水为工况下大坝典型断面上游坝坡最小安全系数Kmin=5.18,下游坝坡最小安全系数Kmin=2.14,均大于规范允许值[K]=1.25,因此现状坝坡满足稳定要求。计算结果见图9、图10。

图9 上游坝坡稳定计算成果图

图10 下游坝坡稳定计算成果图

2.5 Autobank与Geo-studio软件计算成果对比

通过对大坝的设计洪水位工况的计算,两个有限元分析软件计算所得结论一致,坝坡稳定系数均满足规范要求,虽二者计算结果存在一定差别但差距不大。计算结果具体数据见表2。

表2 计算成果数据对比表

3 Avtobank与Geo-stvdio软件对比分析

Avtobank与Geo-stvdio软件虽然属同类型软件,但通过利用软件对大坝进行渗流及稳定分析计算结果可以看出二者存在着一定的差异,本次两个软件均求解方法均采用的是摩根斯坦法,以下就从软件的前处理及后处理部分进行论述二者的不同之处。

3.1 前处理的差异

Avtobank与Geo-stvdio软件前处理主要包括建模、定义材料、划分网格及给定边界条件,前处理存在的主要区别在于材料定义。

3.1.1 渗流分析模块

首先,定义材料部分相较于Avtobank软件的饱和渗流材料模型,Geo-stvdio软件增加了饱和-非饱和渗流材料模型,本次计算中Geo-stvdio软件的坝体填筑粘土使用的饱和-非饱和渗流材料模型,这使得渗流计算结果存在差异的主要原因；其次,划分网格部分Avtobank软件的网格划分是全局统一的自动生成,Geo-stvdio软件是可以对局部面域的网格进行修改编辑,网格划分的合理性也会导致轻微的结果差异。

3.1.2 稳定分析模块

两个软件的稳定分析模块均是在渗流分析模块的结果上进行,所以模型、网格等内容均与渗流分析模块相同,稳定分析模块的主要区别在于材料定义内容上。Avtobank软件用于土石坝稳定计算的材料模型主要有弹性材料、邓肯-张（E-B）模型及邓肯-张（E-）,本文计算选用邓肯-张（E-B）模型。Geo-stvdio软件则有较为丰富的材料模型库主要包括摩尔-库伦模型、基岩模型、高强度模型等14个材料模型,本文坝体填筑粘土采用摩尔-库伦模型、混凝土采用高强度材料、强弱风化层采用基岩模型。因模型选用的差异以及渗流结果的不同导致最终稳定计算结果也略有不同。Geostvdio软件较多的材料模型能够避免软件分析出现的明显错误,例如定义为基岩模型后滑动面无法穿过基岩层,可以避免稳定计算的结果与实际不符的情况。

3.2 后处理的差异

就后处理整体而言,Avtobank软件可变动性较小主要是偏向模型整体分析,渗流部分包括水压、水头、水力坡降及流速的结果,稳定部分主要是最危险滑动面的结果；Geostvdio软件则是有较为完善的出图功能,能够分析方向更多,能够指定对模型中网格划分的单元进行分析处理得出单独的图表内容,渗流部分包括水头、水力坡降、流速及收敛性的结果,稳定部分体现选择分析区域的滑动面及最危险滑动面。

4 结论

通过以上的计算对比分析可以得出以下结论：

（1）Avtobank软件与Geo-stvdio软件在渗流及边坡稳定分析的运用具有一定的相似性,且计算结果偏差较小未影响到对工程安全性的判断,通过水库大坝多年的运行情况证明了两个软件计算结果符合实际情况。

（2）Avtobank软件与Geo-stvdio软件属同类型软件,二者各有优缺点,在工程实际运用中可同时使用二者进行有限元分析,通过二者计算结果互相验证渗流及边坡稳定结论的正确性,可避免单一软件在不同工况计算过程中存在的误差。

（3）相较Avtobank软件而言,Geo-stvdio软件具有较完善的后处理功能,对于工程的分析更加完善,其后处理根据使用者要求对特定单元进行分析并得出较为全面的结论,便于实际工程中的研究与解决。