理正軟件在土石壩設(shè)計中的應(yīng)用研究

劉述伊,于光亮

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州 510925;2.北京理正軟件股份有限公司,北京 100044)

1 應(yīng)用背景

廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院是國家“雙高計劃”建設(shè)單位,擁有顯著行業(yè)特色的人才培養(yǎng)體系,著重培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力,以實現(xiàn)產(chǎn)教融合、育訓(xùn)結(jié)合的終極目標(biāo)。水利工程學(xué)院人才培養(yǎng)方案中明確指出,土石壩滲流分析及穩(wěn)定計算是水利水電建筑工程專業(yè)重點實訓(xùn)內(nèi)容。為高質(zhì)量完成實訓(xùn),也為營造真實的企業(yè)工作氛圍,打造理論與實踐相結(jié)合的一體化課程體系,經(jīng)過前期調(diào)研、專家論證以及公開招標(biāo),水利工程學(xué)院于2022年9月采購并安裝理正軟件,可配合完成多種實訓(xùn)項目。

理正軟件是勘察設(shè)計行業(yè)廣泛應(yīng)用的軟件,涵蓋水工建筑物主要的結(jié)構(gòu)計算,擁有界面簡單、操作便捷且與水利行業(yè)規(guī)范緊密結(jié)合的特點[1],已經(jīng)協(xié)助完成諸多土石壩安全分析計算,并獲得良好效果[2-7]。文章結(jié)合土石壩除險加固設(shè)計,應(yīng)用理正軟件的最新版本,在學(xué)生實訓(xùn)過程中,發(fā)現(xiàn)并歸納存在的問題,詳細(xì)地總結(jié)主要計算過程中幾個重要步驟,最終通過軟件計算獲得安全穩(wěn)定的結(jié)論。

2 應(yīng)用研究

中國中小型土石壩眾多,大多建于20世紀(jì)50—70年代,在管理不當(dāng)和缺乏維護下運行數(shù)十年,很多土石壩都存在著不同程度的病險問題[8-9],因此除險加固勢在必行。土石壩除險加固設(shè)計一般包含以下內(nèi)容:壩體高度復(fù)核,護坡厚度復(fù)核,滲流分析,穩(wěn)定計算,以及確定壩體存在的安全隱患和選擇除險加固的方式和措施。

案例選自課程實訓(xùn)土石壩除險加固設(shè)計方案中滲流分析和穩(wěn)定計算部分。某庫區(qū)主要建筑物為均質(zhì)土壩一條,已知土壩剖面的全部尺寸,包括現(xiàn)狀壩頂高程,最大壩高,壩頂寬,以及上下游壩坡的分段坡比,下游設(shè)置排水體等(水文地質(zhì)資料齊全,CAD圖件中顯示壩體尺寸和詳細(xì)信息)。應(yīng)用理正軟件進(jìn)行滲流分析及穩(wěn)定計算需要用到的軟件模塊為滲流分析計算和邊坡穩(wěn)定分析。

2.1 土壩滲流分析

對土石壩進(jìn)行除險加固的首要任務(wù)是在土石壩原有剖面的基礎(chǔ)上,進(jìn)行滲流分析,檢驗壩體安全性,并為壩坡穩(wěn)定分析提供依據(jù)。計算內(nèi)容包括壩體浸潤線、滲流出逸點位置、滲流流量和各點滲透壓力或滲透坡降,并繪制壩體及壩基內(nèi)等勢線分布圖或流網(wǎng)圖等。計算方法一般采用水力學(xué)法,依據(jù)是達(dá)西定律和連續(xù)方程。滲流分析的工況應(yīng)能涵蓋各種不利運行條件及其組合,一般需要計算的工況有:上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位,上游設(shè)計洪水位/校核洪水位與下游相應(yīng)的水位,以及庫水位降落時上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況[10]。

在理正滲流分析計算模塊中,可根據(jù)需求新增案例(黏土心墻壩的滲透問題,水庫水位下降情況,帶有褥墊排水的情況,帶有棱體排水的情況等)。若工程本身提供初始施工圖,可簡化土壩剖面圖后使用軟件模塊中的輔助功能,通過讀取CAD文件自動形成坡線、節(jié)點以及土層數(shù)據(jù)。

讀取的CAD文件必須滿足以下3個基本要求:

1)CAD中使用line命令以米為單位畫出坡面線、土層線,并采用精確定位功能,確保線與線的連接點沒有誤差(即保證圖形封閉)。

2)CAD中運行DXFOUT命令,文件保存為DXF格式。

3)按要求確認(rèn)坡面線段數(shù),并按順序指定坡面線從開始到結(jié)束的節(jié)點號。

對CAD文件無法讀取的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整,包括土層定義(若土石壩下游設(shè)置排水體,則要修正不同土性區(qū)域的滲透系數(shù)),面邊界條件(一般應(yīng)關(guān)注上下游水位以及可能的浸出面),點邊界條件等。注意,以軟件模塊識別出的計算簡圖沒有多余線條、與簡化的土石壩剖面圖完全一致為正確的標(biāo)準(zhǔn)。

理正軟件中滲流分析得到的計算結(jié)果包含我們需要的全部計算內(nèi)容。結(jié)果中包含顯示浸潤線(紅色)以及等勢線(彩色)未知格式的圖件,命名并保存之后,文件夾中生出一個以lzsl(理正滲流)為后綴名的文件,該文件可以直接導(dǎo)入理正邊坡穩(wěn)定分析模塊進(jìn)行后續(xù)穩(wěn)定計算。文字結(jié)果可直接作為計算依據(jù),包括并不限于以下內(nèi)容:①計算簡圖按比例縮小;②坡面信息包含左右兩側(cè)水面高度、坡面線段數(shù)、坡面線對應(yīng)的水平投影和垂直投影;③土層信息包含坡面節(jié)點數(shù)附加節(jié)點數(shù)的編號及坐標(biāo)、不同區(qū)域土石類型及滲透率;④面邊界數(shù)據(jù)編號及邊界類型(已知水頭或可能的浸出點)、點邊界數(shù)據(jù)編號及邊界類型(已知水頭);⑤流量計算截面點數(shù)編號及坐標(biāo)、滲流量、浸潤線坐標(biāo)和滲透坡降。

2.2 土壩穩(wěn)定計算

根據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[11],土石壩設(shè)計條件應(yīng)根據(jù)所處的工作狀況、作用力出現(xiàn)的幾率和持續(xù)時間的長短劃分為“正常運用條件”、“非常運用條件Ⅰ”和“非常運用條件Ⅱ”。由于除險加固工程多為在使用工程,排除施工期,因此實訓(xùn)中進(jìn)行穩(wěn)定計算的工況簡化為以下3種:①3種水位(正常蓄水位/設(shè)計洪水位/校核洪水位)穩(wěn)定滲流條件下,下游壩坡的穩(wěn)定計算;②2種水位(正常蓄水位/設(shè)計洪水位)遇地震情況下,下游壩坡的穩(wěn)定計算;③庫水位從校核洪水位按正常泄洪降至正常蓄水位、甚至降落至死水位的非穩(wěn)定滲流條件下,上游壩坡的穩(wěn)定計算。

對黏性土填筑的均質(zhì)壩或非均質(zhì)壩,一般認(rèn)為發(fā)生圓弧滑動,因此瑞典圓弧法是目前土石壩設(shè)計中壩坡穩(wěn)定分析的主要方法之一。該方法簡單實用,能基本滿足工程精度要求,特別在中小型土石壩設(shè)計中應(yīng)用廣泛。而瑞典圓弧法的主要缺點是沒有考慮土條間的作用力,使得計算出的安全系數(shù)偏低。若在這種安全系數(shù)偏低的情況下,依然可以滿足規(guī)范要求,那么說明壩體必然穩(wěn)定。簡化的畢肖普法可彌補瑞典圓弧法的缺點,同時也是土壩壩坡穩(wěn)定分析中使用較多的方法。圓弧法計算需要選定圓弧的位置,即明確圓弧的圓心和半徑,但很難尋找最危險的圓弧位置(對應(yīng)最小安全系數(shù)),一般是在一定范圍內(nèi)搜索,經(jīng)多次計算才能找到最小安全系數(shù)。確定搜索范圍的方法有2種:B.B方捷耶夫法和費蘭紐斯法。B.B方捷耶夫法認(rèn)為最危險圓弧滑動面的圓心在一個扇形四邊形范圍內(nèi),扇形四邊形由一點兩線內(nèi)徑外徑確定,其中一點為壩坡中點,兩線為以壩坡中點做鉛直線和85°線(與壩坡的夾角為85°),扇形以壩坡中點為圓心內(nèi)徑外徑畫弧獲得,內(nèi)徑外徑由壩坡坡比和壩高查表確定。費蘭紐斯法認(rèn)為最危險圓弧滑動面的圓心在兩點的延長線上。實際應(yīng)用中,可兩種方法聯(lián)合使用最終確定最危險圓弧滑動面圓心的范圍,再進(jìn)一步計算最終獲得最小安全系數(shù)。

在理正軟件中進(jìn)行穩(wěn)定計算,根據(jù)需求新增案例,直接選中系統(tǒng)默認(rèn)案例,打開輔助功能,選擇讀入“理正滲流”(.lzsl文件)的坡線、地層數(shù)據(jù)、浸潤線以及孔隙水壓力等。讀入文件后對其他內(nèi)容進(jìn)行補充,包括所采用的規(guī)范、穩(wěn)定分析方法等基本條件,黏聚力和內(nèi)摩擦角等土層信息,坡面信息以及考慮浸潤線條件的水面信息等。先對上游進(jìn)行穩(wěn)定計算,獲得計算結(jié)果后,可以通過軟件輔助功能中鏡像原始數(shù)據(jù)選項獲得下游計算結(jié)果。理正軟件中滲流分析得到的計算結(jié)果包含需要的全部計算內(nèi)容,文字結(jié)果可直接作為計算依據(jù),包括并不限于以下內(nèi)容:①計算簡圖按比例縮小(帶有浸潤線);②控制參數(shù)包含選用規(guī)范、計算方法、滑動面形狀(圓弧滑動或折線滑動)、是否考慮地震情況;③坡面信息包含左右兩側(cè)水面高度、坡面線段數(shù)、坡面線對應(yīng)的水平投影和垂直投影;④土層信息包含坡面節(jié)點數(shù)附加節(jié)點數(shù)的編號及坐標(biāo)、不同區(qū)域土石類型及滲透率(注添加黏聚力和內(nèi)摩擦角);⑤水面信息包含采用總應(yīng)力法或其他方法、是否考慮滲透力作用、是否考慮邊坡外側(cè)靜水壓力、水面線段數(shù)水面線號及起始點坐標(biāo);⑥計算條件包含圓弧穩(wěn)定分析方法(瑞典條分法或簡化的畢肖普法或其他)、土條重切向分力與滑動方向反向時(當(dāng)滑動力對待或當(dāng)抗滑力對待)、穩(wěn)定計算方法(自動搜索最危險滑動圓弧或指定圓心范圍搜索最危險滑動圓弧或給定圓心半徑計算安全系數(shù)等);⑦計算結(jié)果包含計算結(jié)果圖按比例縮小(帶有浸潤線、圓心位置和最危險滑動圓弧)、最危險滑動圓弧圓心坐標(biāo)、半徑長度、總的滑動力抗滑力計算過程和最小安全系數(shù)。最終獲得的土石壩上游和下游最小安全系數(shù),參照規(guī)范,安全系數(shù)符合要求即為合格。如若安全系數(shù)<規(guī)范要求,則視為不合格,則說明該工程存在安全隱患,需要進(jìn)行加固處理。

3 存在的問題及解決辦法

使用理正軟件進(jìn)行滲流分析及穩(wěn)定計算可能遇到的問題有:

1)發(fā)現(xiàn)問題:未找到北京理正軟件股份有限公司的授權(quán)加密鎖(鑰匙盤),軟件變?yōu)閷W(xué)習(xí)版。

解決辦法:未聯(lián)網(wǎng)或節(jié)點已滿,等待或重新連接。

2)發(fā)現(xiàn)問題:軟件中使用輔助功能讀取CAD文件失敗。

解決辦法:檢查簡化完成的CAD文件是否保存為DXF格式。

3)發(fā)現(xiàn)問題:軟件中使用輔助功能可以讀取CAD文件,但亂碼。

解決辦法:嚴(yán)格遵循讀取CAD文件需要滿足的3個基本要求。去掉CAD文件中多余的文字和數(shù)字,只保留閉合的圖形線條即可。

4)發(fā)現(xiàn)問題:軟件中使用輔助功能可以讀取CAD文件,但計算簡圖有多余的線條。

解決辦法:檢查土層定義、邊界條件等信息是否輸入正確。

5)發(fā)現(xiàn)問題:尋找最危險圓弧滑動面和圓心時間過長,機器內(nèi)存無法支持長時間運算,得不到答案。

解決辦法:嘗試將自動搜索調(diào)整為指定圓心范圍搜索。

6)發(fā)現(xiàn)問題:應(yīng)用軟件輔助功能中鏡像原始數(shù)據(jù)之后,無法獲得正確的最危險圓弧滑動面。

解決辦法:考慮滲流分析結(jié)果導(dǎo)入穩(wěn)定計算時,坡面線段輸入錯誤。

4 結(jié) 論

理正滲流分析計算和邊坡穩(wěn)定分析兩個模塊能夠較好地分析并計算壩體實際滲流情況和穩(wěn)定情況,符合理論要求,可為后續(xù)壩體的除險加固設(shè)計提供技術(shù)支撐。手動計算土石壩最危險圓弧滑動面和圓心,工作量大且極易出錯,使用軟件可有效簡化計算,且結(jié)果可靠性高。在實訓(xùn)中可操作性強,適應(yīng)數(shù)字化需要。廣東水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院坦桑尼亞境外辦學(xué)項目中,水工建筑物作為核心課程已經(jīng)開發(fā)完成,理正軟件將作為課程資源將部分內(nèi)容轉(zhuǎn)化成英文,供留學(xué)生使用。