劉永,馬飛,張坤強(qiáng),張風(fēng)友

基于AutoBANK的丁塢水庫壩坡穩(wěn)定性分析

劉永1,馬飛1,張坤強(qiáng)2*,張風(fēng)友3

1. 德州市水利事業(yè)發(fā)展中心, 山東 德州 253014 2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018 3. 青州市規(guī)劃編制研究中心, 山東 青州 262500

水庫壩坡的穩(wěn)定直接關(guān)系到水庫樞紐工程的安全性，本文以丁塢水庫為工程實(shí)例，采用先進(jìn)的有限元分析技術(shù)和全自動(dòng)網(wǎng)格劃分手段，利用AutoBANK對(duì)該水庫壩坡穩(wěn)定進(jìn)行分析。這一技術(shù)手段為今后工程的模擬提供了一定思路。

水庫;壩坡; 穩(wěn)定性

1 工程概況

樂陵市位于魯北平原，德州市東北部，全市總面1172 km2，轄9鎮(zhèn)3鄉(xiāng)4個(gè)辦事處，現(xiàn)狀人口69萬人，耕地面積6.78萬hm2。樂陵市當(dāng)?shù)厮Y源嚴(yán)重缺乏，根據(jù)可供水量和需水量分析計(jì)算，保證率50%時(shí)現(xiàn)狀年、2020年、2030年分別缺水1764.21萬m3、1289.98萬m3、242.44萬m3，缺水率分別6.77%、4.56%、0.84%，已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的“瓶頸”。因而，興建平原水庫，利用非農(nóng)田灌溉期蓄水備用，解決水資源緊缺問題已是當(dāng)務(wù)之急。

丁塢水庫不僅是樂陵市城鄉(xiāng)供水的骨干構(gòu)架，也是樂北引黃調(diào)度的樞紐。水庫位于樂陵市丁塢鎮(zhèn)西部，馬家溝以南，趙橋溝與蛤蟆劉溝之間，水庫近似呈瓶子狀，總庫容901.5萬m3，水庫總占地面積130.38 hm2。建設(shè)后可有效發(fā)揮引黃效益，保證城鄉(xiāng)居民用水安全。

2 壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算

2.1 計(jì)算程序

AutoBANK軟件是針對(duì)我國的水利水電行業(yè)要求而設(shè)計(jì)的有限元計(jì)算法計(jì)算程序，利用圖形化的界面，對(duì)水工建筑物的滲流、變形、應(yīng)力、穩(wěn)定等進(jìn)行一體化計(jì)算，而且具有嚴(yán)密的計(jì)算過程。可進(jìn)行位移、應(yīng)力應(yīng)變分析，并根據(jù)輸出的位移、應(yīng)力、變形等數(shù)據(jù)，得到主應(yīng)力隨空間和時(shí)間的變化規(guī)律，并自助生成任意點(diǎn)、任意斷面的內(nèi)力數(shù)值和力學(xué)參數(shù)分布圖。

2.2 水庫圍壩設(shè)計(jì)斷面

操作步驟：?jiǎn)?dòng)AutoBANK軟件——工程里面的材料屬性定義——繪制單元格，同時(shí)選擇各單元的材料數(shù)據(jù)——添加模型邊界條件，荷載——保存AutoCAD圖形文件，形成數(shù)據(jù)文件——求解——最后查看各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果。

圍壩全長(zhǎng)4.69 km，為碾壓式均質(zhì)壩。壩頂寬7.0 m，上、下游壩坡均為1:3，壩頂高程17.45 m，防浪墻頂高程18.05 m，壩高7.0 m，在上游壩腳處設(shè)混凝土防滑齒墻，深1.0 m，寬0.6 m。水庫近似呈矩形，水庫占地130.38 hm2。設(shè)計(jì)蓄水位為16.30 m，相應(yīng)庫容為901.5萬m3，死水位7.95 m，死庫容134萬m3，庫底高程6.15 m。調(diào)節(jié)庫容767.5萬m3。

庫區(qū)原地面平均高程10.45 m，下挖4.3 m，向上筑7.0 m，挖出的土方部分用于筑壩，多余土方運(yùn)出另做它用。壩址地形稍有起伏，地面高程變化不大，根據(jù)壩址地質(zhì)剖面圖，選用標(biāo)準(zhǔn)斷面作計(jì)算斷面。壩基為砂壤土和壤土，下部以砂壤土為主，計(jì)算中，對(duì)壩基各土層計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行綜合選取。

2.3 穩(wěn)定計(jì)算

按施工期，穩(wěn)定滲流期，水庫水位降落期三種工況，有防滲塑膜計(jì)算。穩(wěn)定滲流期，上游水位16.04 m進(jìn)行上游壩坡穩(wěn)定計(jì)算；施工期，圍壩剛建成，水庫未蓄水時(shí)進(jìn)行上、下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算；水位驟降期，庫水位由正常蓄水位16.04驟降到死水位7.95 m，計(jì)算上游壩坡穩(wěn)定。計(jì)算條件見表1。

表 1 壩坡穩(wěn)定分析表

壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典法、畢肖普法，利用AutoBANK邊坡穩(wěn)定分析程序進(jìn)行計(jì)算，其中各種計(jì)算工況抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的設(shè)計(jì)采用值及飽和容重、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)參照《工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘察報(bào)告》。

式中：—滑弧半徑；∑—某一土條的總高度；—土條底面中點(diǎn)處切線與水平線的夾角；—壩坡外水位高出土條底面中點(diǎn)的距離；o—水容重；U—在條塊底面中點(diǎn)處的孔隙水壓力值；、—土的強(qiáng)度指標(biāo)(根據(jù)所采用的計(jì)算方法確定)；∑W(∑W)—計(jì)算抗滑力時(shí)單位寬度土條的重量。

邊坡穩(wěn)定采用的條件按表1選定。土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測(cè)定和應(yīng)用見表2，物理力學(xué)指標(biāo)按地址勘探提供的土工試驗(yàn)成果建議值選取，壩體及壩基指標(biāo)見表3。

表 2 土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測(cè)定和應(yīng)用

表 3 壩體及壩基指標(biāo)

2.4 結(jié)果分析

分別取丁塢水庫東、西、南、北四個(gè)方向的斷面作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)斷面。計(jì)算成果如下：

東壩段標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)算成果如圖1所示：施工期，有效應(yīng)力法，無滲流，瑞典法，0 g，2.27538(左)，2.25542(右)。

正常運(yùn)行期，有效應(yīng)力法，(水位線)設(shè)計(jì)水位，瑞典法，0 g，3.89826(左)，2.05903(右)。

水位降落期，有效應(yīng)力法，(水位線)設(shè)計(jì)水位～(水位線)施工期水位線，瑞典法，0 g，2.1853(左)，2.25063(右)。

圖 1 東壩段標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)算成果圖

西壩段標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)算成果如圖2所示：

圖 2 西壩段標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)算成果圖

施工期，有效應(yīng)力法，無滲流，瑞典法，0 g，2.07116(左)，2.07047(右)。

正常運(yùn)行期，有效應(yīng)力法，(水位線)設(shè)計(jì)水位，瑞典法，0 g，3.6387(左)，2.47564(右)。

水位降落期，有效應(yīng)力法，(水位線)設(shè)計(jì)水位～(水位線)施工期水位線，瑞典法，0 g，2.25485(左)，2.40549(右)。

北壩段標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)算成果圖如圖3所示：

圖 3 北壩段標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)算成果圖

施工期，有效應(yīng)力法，無滲流，瑞典法，0 g，2.13311(左)，2.11629(右)。

正常運(yùn)行期，有效應(yīng)力法，(水位線)設(shè)計(jì)水位，瑞典法，0 g，3.5203(左)，2.26911(右)。

水位降落期，有效應(yīng)力法，(水位線)設(shè)計(jì)水位～(水位線)施工期水位線，瑞典法，0 g，2.09153(左)，2.20267(右)。

南壩段標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)算成果如圖4所示：

圖 4 南壩段標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)算成果圖

施工期，有效應(yīng)力法，無滲流，瑞典法，0 g，1.97283(左)，1.95418(右)。

正常運(yùn)行期，有效應(yīng)力法，(水位線)設(shè)計(jì)水位，瑞典法，0 g，3.62228(左)，2.27189(右)。

水位降落期，有效應(yīng)力法，(水位線)設(shè)計(jì)水位～(水位線)施工期水位線，瑞典法，0 g，2.13805(左)，2.23177(右)。

庫區(qū)壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果見表4。

表 4 庫區(qū)壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

滲流穩(wěn)定期所得安全穩(wěn)定系數(shù)為無考慮邊坡外側(cè)靜水壓力的結(jié)果。完建期和滲流穩(wěn)定期采用的計(jì)算方法均為有效應(yīng)力法。由以上計(jì)算結(jié)果可以看出，迎水坡、背水坡壩坡在正常運(yùn)行和非常運(yùn)行工況下計(jì)算的抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》正常運(yùn)行和非常運(yùn)行允許抗滑穩(wěn)定系數(shù)，滿足規(guī)范要求。

3 結(jié) 語

通過以上分析可以看出：相比以往的傳統(tǒng)計(jì)算方法，AutoBANK有限元分析軟件能較好地模擬壩坡斷面，且結(jié)果更具可靠性，能較準(zhǔn)確反映實(shí)際工程情況。計(jì)算結(jié)果詳細(xì)精確，可為大壩的設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)，并可輸出精確直觀的圖形文件成果。軟件與AutoCAD相配合使用，還能使計(jì)算操作更加便捷。采用有限元進(jìn)行分析不僅提高了水利水電工程技術(shù)人員關(guān)于大壩穩(wěn)定計(jì)算的效率和質(zhì)量，而且能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)提供詳實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為今后的工程模擬提供了一定思路。

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Analysis on the Stability of Dingwu Reservoir Dam Slope Based on AutoBANK

LIU Yong1, MA Fei1, ZHANG Kun-qiang2*, ZHANG Feng-you3

1.253014,2.271018,3.262500,

The stability of the dam slope is directly related to the safety of the reservoir pivot project. This paper takes Dingwu Reservoir as an engineering example, adopts advanced finite element analysis technology and automatic grid division method, and uses AutoBANK to analyze the dam slope stability of the reservoir. This technical means provides some ideas for future engineering simulation.

Reservoir; dam slope; stability

TV62

B

1000-2324(2022)01-0145-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.01.022

2021-08-02

2021-09-23

山東省自然基金(ZR2018PEE027)

劉永(1986-),女,高級(jí)工程師,研究方向:水利工程管理. E-mail:261179971@qq.com

Author for corrspondence. E-mail:zkq0129@163.com