AutoBank軟件在中小型水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

摘要：近年來(lái)，水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)越來(lái)越受重視。以土石壩為例，本文以有限元理論和滲流理論為基礎(chǔ)，考慮復(fù)合土工膜的破損與否，利用AutoBank軟件對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算，確定大壩在各工況下的最大滲透比降、逸出點(diǎn)位置以及邊坡安全系數(shù)，然后以此為依據(jù)，評(píng)價(jià)大壩安全等級(jí)，提出大壩除險(xiǎn)加固建議。

關(guān)鍵詞：AutoBank軟件；土石壩；安全評(píng)價(jià)；滲流穩(wěn)定

中圖分類(lèi)號(hào)：TV223 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2023）05-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.05.009

Abstract： In recent years， the safety evaluation of reservoir dams has received increasing attention. Taking earth-rock dams as an example， based on finite element theory and seepage theory， this paper considers whether the composite geomembrane is damaged or not， and uses AutoBank software to calculate the seepage stability of the reservoir dam， determining the maximum permeability gradient， location of the escape point， and slope safety factor of the dam under various working conditions， and evaluates the safety level of the dam based on this， and proposes suggestions for dam reinforcement.

Keywords： AutoBank software; earth-rock dam; safety evaluation; seepage stability

與其他壩型相比，土石壩占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，是最普遍采用的一種壩型。由于經(jīng)濟(jì)水平低、筑壩技術(shù)不成熟等原因，土石壩大都存在工程質(zhì)量差、病險(xiǎn)隱患多和工程管理不善等嚴(yán)重問(wèn)題，因此對(duì)中小型土石壩進(jìn)行安全評(píng)價(jià)十分重要[1]。AutoBank軟件是針對(duì)我國(guó)水利行業(yè)的要求而設(shè)計(jì)，可對(duì)土壩、堤防、涵洞、水閘等水工建筑物進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算[2-3]。本研究以某水庫(kù)為例，利用AutoBank軟件對(duì)土石壩有無(wú)復(fù)合土工膜兩種情況進(jìn)行建模，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，設(shè)定不同計(jì)算工況，得出計(jì)算結(jié)果，并做對(duì)比分析，明確其滲流穩(wěn)定性。

1 概況

該水庫(kù)于1954年興建，水庫(kù)集水面積為0.38 km2，干流長(zhǎng)度為0.7 km，干流坡降為0.029 3，總庫(kù)容為19.84×104 m3。此水庫(kù)為Ⅴ等工程，工程規(guī)模為小（2）型，永久建筑物等級(jí)為5級(jí)，相應(yīng)水工建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。水庫(kù)汛限水位為27.10 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容為13.40×104 m3；設(shè)計(jì)水位為27.84 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容為15.50×104 m3；校核水位為28.20 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容為19.84×104 m3。

2 計(jì)算依據(jù)

2.1 計(jì)算公式

一是滲流計(jì)算。允許滲透比降由式（1）求得。對(duì)于壩體穩(wěn)定滲流，符合達(dá)西定律的各向異性二維滲流場(chǎng)，水頭勢(shì)函數(shù)滿(mǎn)足微分方程，如式（2）所示。將滲流場(chǎng)用有限元離散，假定單元滲流場(chǎng)的水頭勢(shì)函數(shù)φ為多項(xiàng)式，由微分方程及邊界條件確定問(wèn)題的形式，可得出線性方程組，如式（3）所示。根據(jù)以上方程組可以得到節(jié)點(diǎn)水頭，據(jù)此求得單元的水力坡降、流速等物理量，其中求解滲流場(chǎng)的關(guān)鍵是確定浸潤(rùn)線位置。

二是抗滑穩(wěn)定計(jì)算。本次穩(wěn)定計(jì)算主要依據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 189—2013）[4]，結(jié)合其規(guī)定的大壩結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，采用瑞典圓弧滑動(dòng)法。該方法的基本假設(shè)為均質(zhì)黏性土坡滑動(dòng)時(shí)，其滑動(dòng)面常近似為圓弧形，滑動(dòng)面以上的土體假定為剛性體，即設(shè)計(jì)中不考慮滑動(dòng)土體內(nèi)部的相互作用力，土體邊坡的穩(wěn)定性假定為平面應(yīng)變問(wèn)題。對(duì)該水庫(kù)梯形均質(zhì)壩進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，其計(jì)算公式為

式中：K為穩(wěn)定安全系數(shù)，取1.05；W為土條重力；u為作用于土條地面的孔隙壓力；α為條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑的夾角；b為土條寬度；c、φ為土條底面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

2.2 地質(zhì)參數(shù)與計(jì)算模型

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告及相關(guān)資料，壩體各土層參數(shù)如表1所示。基巖滲透系數(shù)根據(jù)《堤防工程手冊(cè)》[5]以及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)值選取；土工膜材料滲透系數(shù)根據(jù)《土工合成材料 非織造布復(fù)合土工膜》（GB/T 17642—2008）以及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)值選取。計(jì)算模型如圖1所示。

2.3 計(jì)算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274—2020）[6]及《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 189—2013）的有關(guān)規(guī)定，本研究選取不同工況進(jìn)行計(jì)算。工況1、工況2、工況3和工況4的上游壩坡無(wú)土工膜，工況5、工況6、工況7和工況8的上游壩坡有土工膜。滲流計(jì)算的水位組合如表2所示，大壩計(jì)算斷面抗滑穩(wěn)定計(jì)算的水位組合如表3所示。

3 計(jì)算結(jié)果

由表4可知，上游壩坡無(wú)土工膜時(shí)，各計(jì)算工況下最大滲透比降均大于允許滲透比降且下游出逸點(diǎn)相對(duì)較高；上游壩坡鋪設(shè)防滲土工膜時(shí)，各計(jì)算工況下最大滲透比降均小于允許滲透比降且數(shù)值很小，另外，下游出逸點(diǎn)位于下游壩腳處。由表5可知，無(wú)論上游壩坡有無(wú)土工膜，各計(jì)算工況下安全系數(shù)計(jì)算值均滿(mǎn)足規(guī)范要求。但是，在有土工膜的情況下，安全系數(shù)計(jì)算值均大于無(wú)土工膜情況下安全系數(shù)計(jì)算值。

4 結(jié)論

土石壩在上游壩坡鋪設(shè)防滲土工膜，可以有效防止大壩發(fā)生滲透破壞，同時(shí)可以提高大壩安全系數(shù)。在土石壩滲流穩(wěn)定分析中，AutoBank軟件可以準(zhǔn)確、方便、快速地得出計(jì)算結(jié)果，供安全評(píng)價(jià)參考。各土層參數(shù)的選定對(duì)計(jì)算結(jié)果起到至關(guān)重要的作用，直接影響浸潤(rùn)線位置以及最危險(xiǎn)滑裂面范圍，對(duì)判定大壩是否安全影響很大。

參考文獻(xiàn)

1 嚴(yán) 媛.某水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)與分析[J].云南水力發(fā)電，2019（3）：44-47.

2 杜易杰，張丹汝，李 龍.基于AutoBank軟件對(duì)堤防滲流穩(wěn)定的計(jì)算應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2014（12）：155-157.

3 敬 晨，李鵬飛.AutoBank軟件在堤防滲流穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技，2015（11）：48-50.

4 水利部.小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 189—2013[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2013.

5 毛昶熙.堤防工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009：31-32.

6 水利部.碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 274—2020[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2020.