AutoBank 在土石壩畢業設計中的應用

淡 倉

（云南水利水電職業學院， 云南 昆明 650499）

0 前言

高職院校最后一個教學環節是畢業實踐教學，畢業實踐具有綜合性和專業性強的特點[1]。而畢業設計是高職院校工科類專業畢業實踐教學最傳統的形式之一[2]。本文以高職水利類專業畢業設計中的土石壩除險加固項目為例，介紹AutoBank 軟件在土石壩滲流和穩定計算中的應用，總結土石壩滲流和壩坡穩定設計思路，以期提高學生畢業設計的效率，為在校師生以及相關設計工作者提供參考。

1 AutoBank 軟件使用方法

AutoBank 軟件根據我國現行行業標準規范要求編寫，專業特點顯著[3]。軟件可進行固結、滲流、穩定、內力位移、應力應變以及水工建筑物整體穩定計算分析[4]。軟件建模靈活，可單獨使用本軟件進行建模，亦可導入AutoCAD 圖形文件進行建模，給水利水電工程技術人員帶來極大方便。

運用AutoBank7.7 軟件進行土石壩滲流及邊坡穩定計算需要用到軟件的建模、滲流分析、穩定分析三個模塊，計算流程如圖1 所示。

圖1 AutoBank7.7 滲流穩定計算流程圖

2 畢業設計實例應用分析

2.1 畢業設計的任務

2.1.1 工程概況

D 水庫位于云南省中部地區，屬金沙江流域，總庫容207.33 萬m3。現狀大壩為均質土壩，壩高23.9m，壩頂路面寬3.5m，長290m，壩頂高程1876.90m。上游采用混凝土預制塊護坡，1865.50m 處設2m 寬的馬道，馬道以上坡度1:2.75，以下坡度1:3。下游采用種草護坡，1867.60m 處設2m 寬的馬道，馬道以上坡度1:2.4，以下坡度1:2.5。現狀排水棱體內坡坡度1:1，外坡坡度1:1.5，頂高程1858.50m。

2.1.2 病險情況

根據現場調查，并對現狀大壩進行滲流及壩坡穩定安全復核，發現大壩存在如下病險問題：

（1）壩頂混凝土預制塊路面受車輛碾壓破壞嚴重；

（2）上游混凝土預制塊護坡局部風化破損嚴重；

（3）下游壩坡無岸坡排水設施，壩肩結合部沖刷嚴重；

（4）下游壩坡踏步破損嚴重；

（5）下游排水棱體堵塞失效，導致高水位時浸潤線從下游壩坡出逸；

（6）下游壩坡抗滑穩定安全系數偏低。

2.1.3 設計任務

（1）根據大壩現狀病險情況擬定除險加固措施；

（2）對加固后大壩進行滲流和壩坡穩定效果分析。

2.2 大壩加固措施制定及效果分析

2.2.1 大壩加固的措施

針對上述的大壩現狀病險分析及穩定性評估成果，制定了以下除險加固措施：

（1）加寬壩頂寬度到5m，并新建壩頂路面；

（2）修復上游混凝土預制塊護坡破損部位；

（3）平整下游壩肩結合部，并新建排水溝；

（4）拆除并新建下游壩坡踏步；

（5）拆除并新建下游排水體，排水體與壩體間設置反濾層；

（6）放緩下游第二級壩坡坡度到1:3。

2.2.2 加固后滲流計算

（1）計算斷面和指標選取

滲流計算斷面選取加固后各壩段最危險橫斷面。在計算中根據大壩壩體、壩基的材料性質組成將斷面劃為4 個分區，并分別對其邊界條件進行適當簡化。由于缺乏資料，計算中近似認為水平和垂直方向滲透系數值相等[5]。加固后大壩滲流穩定計算典型斷面見圖2（圖中虛線為現狀大壩橫斷面），各分區材料的滲流計算指標見表1。

圖1 大壩滲流穩定計算斷面圖 (單位：m)

表1 大壩滲流計算指標表

（2）計算方法和效果分析

滲流計算包括三方面內容[6]：確定壩體浸潤線位置；計算滲流量；判斷其滲透穩定性。這三方面計算都可通過AutoBank 軟件實現。浸潤線位置和等勢線圖可由軟件自動生成；滲流量可由軟件計算出的單寬滲流量結合壩體尺寸進行計算；滲透穩定性的判斷需先計算出壩體允許滲透比降（[J]）[7-8]，再和軟件計算出的壩體最大滲透比降（Jmax）進行比較判定。大壩滲流計算選取4 種工況，正常蓄水位時的浸潤線和等勢線見圖3，各工況滲流計算結果見表2。

圖2 大壩浸潤線及等勢線圖

表2 大壩滲流計算成果表

新建排水棱體后各種工況浸潤線位置明顯下降。正常蓄水位時水庫滲流量為4.76L/s，折合年滲流量約為7.51 萬m3，占興利庫容的4.45%。各工況壩體最大滲透比降均大于壩料自身允許滲透比降，但由于排水體與壩體間設置了反濾層，可大大提高壩料抵抗滲透破壞的能力，根據相關文獻[9-10]，允許滲透比降可提高至數十，因此在反濾層保護下壩料不會發生滲透破壞。

3 加固后穩定計算

3.1 計算斷面和指標選取

加固后大壩壩坡穩定計算斷面選取同滲流計算斷面（見圖2）。計算中近似認為水上和水下抗剪強度指標相等，各分區材料的穩定計算指標見表3。

表3 大壩穩定計算指標表

3.2 計算方法和效果分析

選取5 種工況，分別采用瑞典圓弧法和簡化Bishop 法對加固后壩坡抗滑穩定進行計算。將各分區土料穩定計算指標輸入AutoBank 軟件，可一次性計算出各工況上、下游壩坡抗滑穩定安全系數K。計算結果見表4，設計洪水位時的滑裂面位置見圖4。

表4 大壩穩定計算成果表

通過與規范規定的最小安全系數比較，發現大壩上、下游壩坡在各工況下抗滑穩定安全系數均大于規范值，所以加固處理后大壩上、下游壩坡抗滑穩定均滿足要求。

圖3 大壩穩定計算滑裂面圖

4 結論

通過采用AutoBank 軟件對D 水庫進行加固效果分析的成果，可看出：（1）庫水位升高，浸潤線位置隨之升高，單寬滲流量和滲透出逸比降也隨之增大；（2）同工況下瑞典圓弧法計算出的抗滑穩定安全系數較簡化Bishop 法計算結果要小，這是由于瑞典圓弧法未計及條間作用力；（3）排水棱體堵塞和壩坡過陡都會影響大壩下游壩坡穩定，D 水庫采取新建排水棱體并放緩下游二級壩坡的方法，有效提高了大壩下游壩坡的穩定性。

土石壩畢業設計中采用AutoBank 軟件進行大壩滲流和邊坡穩定計算，將對畢業設計的計算過程帶來極大便利，并且可以對手算結果進行驗證。同時，熟練掌握工程軟件的使用方法還可以擴展學生的知識面，提高崗位競爭力和適應能力。