基于Autobank的荊方泵站上游圍堰滲流穩(wěn)定分析

王桂智，楊慶慶，蔣文志，李建剛，武 蒙

(1.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225007)

圍堰是指在水利工程建設(shè)中，為建造永久性水利設(shè)施而修建的臨時(shí)性圍護(hù)結(jié)構(gòu)。其作用是防止水和土進(jìn)入建筑物的修建位置，以便在圍堰內(nèi)排水，開(kāi)挖基坑，修筑建筑物[1]。土圍堰作為常見(jiàn)的一種圍堰型式，在水利水電工程中使用較為廣泛[2]。土圍堰的安全問(wèn)題關(guān)系著主體工程的順利實(shí)施以及工程的質(zhì)量進(jìn)度，一旦失事后果十分嚴(yán)重，因而對(duì)圍堰的滲流穩(wěn)定計(jì)算分析就顯得尤為重要[3]。本文以荊方泵站上游圍堰為例，利用Autobank軟件對(duì)不同工況下的圍堰滲流過(guò)程進(jìn)行模擬，并做整體抗滑穩(wěn)定分析，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)上游圍堰進(jìn)行加固方案設(shè)計(jì)并提出相關(guān)建議，以期對(duì)同類工程起到一定的參考作用。

1 工程概況

荊方排澇泵站工程位于蕪湖市荊山河與青弋江交匯處，是蕪湖市中片水網(wǎng)區(qū)防洪治澇體系調(diào)整的骨干工程之一，也是蕪湖市重要的城市排澇基礎(chǔ)設(shè)施之一，泵站設(shè)計(jì)排澇流量約50m3/s，總裝機(jī)容量5880kW。根據(jù)本工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告及其審查批復(fù)意見(jiàn)，本工程圍堰為4級(jí)水工建筑物設(shè)計(jì)，圍堰防洪標(biāo)準(zhǔn)取10～20a一遇的洪水位。

圍堰設(shè)計(jì)頂寬6.0m，在兩側(cè)邊坡高程7.0m處均設(shè)寬3.0m的平臺(tái)，平臺(tái)以上坡比為1∶3，平臺(tái)以下坡比為1∶4。在荊方泵站圍堰施工時(shí)，由于受到征地拆遷的影響導(dǎo)致圍堰未能在枯水期完成，圍堰填筑受工期和降雨的影響，圍堰填筑期土方壓實(shí)較為困難。經(jīng)檢測(cè)，現(xiàn)狀圍堰壓實(shí)度為0.85～0.95，未能達(dá)到規(guī)范[4]中“3級(jí)以下堤防不應(yīng)小于0.91”的強(qiáng)制性要求。為確保本工程圍堰防洪安全，必須對(duì)現(xiàn)狀圍堰進(jìn)行安全復(fù)核，分析圍堰結(jié)構(gòu)的安全性，并根據(jù)圍堰安全復(fù)核情況提出相應(yīng)的工程處理措施。鑒于文章篇幅，本文只對(duì)上游圍堰進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。上游圍堰土層地質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

現(xiàn)狀上游圍堰斷面如圖1所示。

2 圍堰滲流穩(wěn)定分析

2.1 Autobank軟件模型

Autobank軟件是目前國(guó)內(nèi)水利設(shè)計(jì)院通用的水工結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算軟件。它由河海大學(xué)研制開(kāi)發(fā)，計(jì)算模塊采用有限元原理，可用于堤防、土石壩等水工建筑物的滲流、穩(wěn)定計(jì)算，結(jié)果較為準(zhǔn)確可靠[5]。

Autobank軟件基于水力學(xué)原理而設(shè)計(jì)，其基本原理為達(dá)西定律[6]，基本方程[7]為：

(1)

式中，h0—邊界水頭；n—邊界外法線方向；z—浸潤(rùn)線上各點(diǎn)的幾何縱坐標(biāo)值。

表1 上游圍堰土層地質(zhì)指標(biāo)成果

圖1 現(xiàn)狀上游圍堰斷面

圖2 上游圍堰校核防洪水位水力坡降等值線

2.2 滲流計(jì)算

根據(jù)規(guī)范[4]對(duì)滲流及滲透穩(wěn)定性計(jì)算的要求，對(duì)類似于堤防的均質(zhì)土圍堰工程應(yīng)計(jì)算求得滲流場(chǎng)內(nèi)的水頭、壓力、坡降、滲流量等水力要素。按照本工程上游圍堰特征水位組合，經(jīng)分析，在圍堰外側(cè)水位達(dá)到校核防洪水位11.50m、圍堰內(nèi)部無(wú)水(地面高程6.0m)時(shí)，圍堰兩側(cè)水位差最大，對(duì)圍堰的滲流穩(wěn)定最為不利。在圍堰滲流穩(wěn)定分析時(shí)，運(yùn)用Autobank建立平面計(jì)算模型，采用自動(dòng)單元網(wǎng)格劃分方法，單元長(zhǎng)度設(shè)為1，圍堰斷面劃分為若干三角形單元，并按照圍堰滲流計(jì)算水位組合情況，確定滲流邊界，進(jìn)行圍堰結(jié)構(gòu)滲流分析。具體計(jì)算成果如圖2所示。

經(jīng)計(jì)算，上游圍堰背水坡滲流溢出點(diǎn)高程為7.56m，滲出段最大水力坡降0.541，大于A層土的允許水力坡降0.39，坡腳水平段最大水力坡降0.676，大于地基2層土允許水力坡降0.28，滲流穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，需進(jìn)行相關(guān)處理。

2.3 穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)規(guī)范[4]，圍堰抗滑穩(wěn)定分析采用瑞典圓弧法，應(yīng)用Autobank軟件進(jìn)行分析計(jì)算。按照本工程地質(zhì)勘察報(bào)告揭示的土層分布情況及相應(yīng)土層的地質(zhì)指標(biāo)，經(jīng)計(jì)算，上游圍堰在不同運(yùn)行工況下結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定計(jì)算具體成果見(jiàn)表2。

表2 上游圍堰抗滑穩(wěn)定復(fù)核成果

圖3 上游圍堰抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

圖4 上游圍堰加固斷面

抗滑穩(wěn)定成果如圖3所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，上游圍堰迎水坡在設(shè)計(jì)低水位工況下，抗滑安全系數(shù)1.08略小于規(guī)范允許值；背水坡在設(shè)計(jì)防洪水位工況下，抗滑安全系數(shù)1.11<1.15，不滿足規(guī)范要求，需對(duì)上游圍堰進(jìn)行加固處理。

3 圍堰加固設(shè)計(jì)

根據(jù)上游圍堰安全復(fù)核成果，對(duì)上游圍堰進(jìn)行加固處理。

首先，清除現(xiàn)狀堤頂雜物，加高堤防至12.50m、頂寬6.0m，迎水面堤頂設(shè)置高1m、寬1m的袋裝土擋浪子堰，控制子堰頂高程13.50m，以滿足防洪高度的規(guī)范要求；其次，在背水坡增設(shè)寬3m的后戧臺(tái)，設(shè)計(jì)戧臺(tái)頂高程為8.5m，并將現(xiàn)狀戧臺(tái)頂高程提高至10.0m，控制壓實(shí)度不小于0.91。

然后按照滲流計(jì)算情況，在背水坡設(shè)置貼坡反濾體，加固后圍堰滲流溢出點(diǎn)高程為7.33m，設(shè)計(jì)反濾體頂高程為7.50m，反濾體采用袋裝砂石、厚50cm，并在坡腳設(shè)置排水體，解決水平段滲流水力坡降超標(biāo)問(wèn)題，以提高圍堰滲流穩(wěn)定性。加固后圍堰斷面如圖4所示。

對(duì)加固后上游圍堰進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算、滲流分析，穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 上游圍堰加固后抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

抗滑穩(wěn)定成果如圖5所示。

根據(jù)抗滑穩(wěn)定計(jì)算，加固后的圍堰結(jié)構(gòu)在各運(yùn)行工況下最小抗滑安全系數(shù)均滿足規(guī)范對(duì)4級(jí)堤防的抗滑穩(wěn)定要求；迎水坡的抗滑安全系數(shù)在設(shè)計(jì)低水位時(shí)略小于規(guī)范允許值。考慮到在該工況下，圍堰出現(xiàn)滑動(dòng)，對(duì)區(qū)域和工程建設(shè)造成的危害較小，同時(shí)鑒于現(xiàn)狀圍堰填筑土尚未完全固結(jié)，隨著時(shí)間的推移填筑土持續(xù)固結(jié)，土層地質(zhì)指標(biāo)將進(jìn)一步提高，圍堰抗滑穩(wěn)定性也將進(jìn)一步提高。故此系數(shù)暫按安全范圍考慮，建議加強(qiáng)對(duì)上下游圍堰的迎水坡變形的觀測(cè)，尤其是在水位降落時(shí)，需增加觀測(cè)頻次，一旦發(fā)現(xiàn)較大的變形，立即在迎水面坡腳處填筑壓重平臺(tái)，以確保圍堰安全。

圖5 上游圍堰加固后抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

圖6 上游圍堰加固后校核防洪水位水力坡降等值線

滲流分析具體計(jì)算成果如圖6所示。

由圖6可知，圍堰內(nèi)側(cè)經(jīng)加固處理后，滲流水力坡降得到了有效降低，同時(shí)反濾體及坡腳排水體可有效處理水平段滲流水力坡降超標(biāo)問(wèn)題，保證圍堰的滲流穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

以荊方泵站上游圍堰為實(shí)例，利用Autobank軟件對(duì)現(xiàn)有上游圍堰及加固后圍堰進(jìn)行滲流穩(wěn)定及抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析，可得到以下結(jié)論。

(1)現(xiàn)狀上游圍堰在某些工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，需進(jìn)行加固處理；滲流穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，對(duì)坡面和坡腳滲流水力坡降超出土層允許值范圍的需設(shè)置反濾體，以提高圍堰的滲流穩(wěn)定性。

(2)上游圍堰背水坡增設(shè)后戧臺(tái)，并提高現(xiàn)狀戧臺(tái)頂高程，加固后的圍堰在各運(yùn)行工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求；在背水坡坡腳設(shè)置貼坡反濾體，并在坡腳設(shè)置排水體，可解決水平段滲流水力坡降超標(biāo)問(wèn)題，提高圍堰滲流穩(wěn)定性。

(3)Autobank軟件可有效模擬滲流場(chǎng)并進(jìn)行圍堰滲流穩(wěn)定及抗滑穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可對(duì)國(guó)內(nèi)土壩工程滲流穩(wěn)定分析提供有效技術(shù)支持。