張智醞 張紹廣 陶 娟 陳 娟

（淮安市水利勘測設計研究院有限公司 淮安 223005）

基于AutoBank的淮安市黃河故道地區(qū)上段河道堤防滲流穩(wěn)定分析

張智醞 張紹廣 陶 娟 陳 娟

（淮安市水利勘測設計研究院有限公司 淮安 223005）

土壩滲流是引起土壩破壞的主要原因之一。我國許多中小河流存在堤防工程滲漏嚴重、邊坡穩(wěn)定性差等問題，使度汛安全受到威脅。因此，研究堤防滲流穩(wěn)定對中小河流防洪安全具有重要意義。將Auto Bank軟件應用于黃河故道地區(qū)上段河道綜合整治工程防滲流穩(wěn)定計算，有效解決了工程邊界條件復雜、滲流介質(zhì)不單一的堤防滲流穩(wěn)定分析問題。

Auto Bank軟件 堤防 滲流穩(wěn)定 黃河故道 河道綜合整治

滲流計算方法主要分為理論分析法和實驗分析法，而由于堤防斷面土層分布千差萬別，滲流介質(zhì)條件復雜。計算模型與實際斷面相差較大，用近似解法工作量大，且往往不能得到滿意結(jié)果。由河海大學研究開發(fā)的AutoBank軟件，可對土壩、堤防、涵洞、水閘等水工建筑物進行結(jié)構(gòu)分析計算。在堤防滲流穩(wěn)定分析計算中，采用全自動網(wǎng)格劃分技術，通過迭代算法計算浸潤線，有效解決了土壩滲流穩(wěn)定的求解，為設計人員提供了極大便利。

1 計算原理及功能特點

考慮水和土的壓縮性，堤內(nèi)的滲流應符合達西定律，對于二向非均質(zhì)各向異性土體滲流，水頭勢函數(shù)滿足微分方程：

kx、ky為x、y軸方向的滲透系數(shù)；

Jx、Jy為x、y軸方向的水力坡降。

系統(tǒng)采用節(jié)點虛流量法通過多次迭代計算自動確定浸潤線位置、出逸高度及各點的水力坡降。

AutoBank軟件依托AutoCAD軟件界面，直接定義堤身斷面尺寸、堤身各土層材料的滲透系數(shù)、水頭（水位）、進出流邊界條件等基礎數(shù)據(jù)后進行有限元分析求解滲流場，并可直接查看各種滲流場的結(jié)果，包括等勢線、浸潤線、流速等值線圖、流速矢量圖、水力坡降等值線圖等，采用數(shù)值、圖表等形式輸出。

2 淮安市黃河故道地區(qū)上段河道堤防滲流計算

2.1工程基本情況

此次黃河故道上段河道綜合整治工程規(guī)模為河道排澇標準十年一遇，排澇流量為90m3/s；堤防防洪標準20年一遇，相應排澇流量為113m3/s。子堤加固堤防等級為4級，堤頂寬6.0m，內(nèi)外邊坡均為1∶3，堤頂超高1.0m。拓浚斷面河道采用平底河道，瑤河閘上河底高程為10.5m、瑤河閘下河

底高程為10.0m，邊坡均為1∶3，河道糙率0.025，河道底寬20.0～45.0m。

圖1 典型斷面防洪工況滲流計算成果

圖2 典型斷面水位驟降工況滲流計算成果

表1 典型斷面子堤滲流計算成果

2.2地質(zhì)條件及評價

結(jié)合勘測資料，河道沿線20m范圍內(nèi)揭露的地層可分為5個工程地質(zhì)層，其中02層包含1個工程地質(zhì)亞層，03、04層各分為2個工程地質(zhì)亞層，各層分述如下：

00層：淤泥（Q4pr）。灰黑色，流塑，局部夾雜植物腐殖質(zhì)?？辈炱陂g，局部區(qū)域位于地表水之上，受陽光暴曬、風化等作用，表層因失水而呈現(xiàn)硬化現(xiàn)象。

01層：素填土（Q4m l）。以砂壤土、砂土為主，砂性大，表層含植物根系。厚度0.3～1.2m。

02層：砂壤土或粉砂（Q4pl）?；尹S色、黃灰色、灰色，稍濕—濕，無光澤，干強度及韌性低，砂性大，含云母片，局部夾軟塑狀粘性土，土質(zhì)不均勻。厚度1.0～10.8m。

02-1層：淤泥質(zhì)粘性土（Q4al）。灰色、黃灰色，一般流塑，稍有光澤，干強度及韌性中等，局部為軟塑狀粘性土，該層為02層中的夾層，分布不均勻。厚度0.3～2.2m。

03-1層：粉質(zhì)粘土或壤土（Q4al）?；尹S色、灰色，軟—可塑，稍有光澤，干強度及韌性中等。厚度0.6～6.5m。

03-2層：粘土（Q3al）?；尹S色、黃灰色，雜蘭灰色條紋，一般硬塑，局部可塑，有光澤，干強度及韌性高，含鐵錳結(jié)核及砂姜。厚度0.8～7.0m。

04-1層：粉細砂或砂壤土（Q3al）?；尹S色、黃灰色、灰色，飽和，中密—密實，局部稍密，粘粒含量較低，級配較差，主要礦物成分以石英、云母為主，長石次之。該層多未揭穿，揭露厚度0.6～12.3m。

04-2層：中粗砂（Q3al）?；尹S色、灰色，飽和，中密—密實，粘粒含量較高，級配較差，主要礦物成分以長石、石英為主，云母次之。該層未揭穿，揭露厚度0.8～7.6m。

05層：粘土（Q3al）?；尹S色，雜蘭灰色條紋，硬塑，局部可塑，有光澤，干強度及韌性高，含鐵錳結(jié)核及砂姜。該層未揭穿，揭露厚度2.9～11.4m。

2.3計算工況

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013），此次黃河故道上段河道子堤防滲計算采用下列水位組合：

①臨水側(cè)為設計防洪水位，背水側(cè)為低水位。

②臨水側(cè)為設計防洪水位驟降1m，背水側(cè)為低水位。

通過對河道治理段地層巖性、土的物理力學性質(zhì)及地下水的狀態(tài)等條件分析，選取典型斷面進行滲流計算，其工況①堤內(nèi)防洪水位16.34m，堤外水位平地面；工況②堤內(nèi)防洪水位16.34m驟降至15.34m，堤外水位平地面。

2.4單元格劃分

有限元計算中的各種計算數(shù)據(jù)通過單元的頂點進行傳遞，因此單元間要點對點、線對線，且同一條土層線上劃分的單元數(shù)量相同。劃分單元前應首先檢查計算斷面中各種土層線的拐點位置，并適當對其進行調(diào)整。使土層線的形狀有利于單元的劃分。自動劃分三角形單元的方式，單元數(shù)量會增加，計算精度高、計算速度慢；半自動劃分四邊形單元方式剛好相反。土層分布比較規(guī)則、簡單時，采用四邊形單元。此次計算采用自動劃分三角單元的方法。

3 計算結(jié)果分析

取上述典型斷面，有限元分析系統(tǒng)AutoBank軟件通過AutoCAD圖形建立相應模型，如圖1、2所示。

由有限元分析系統(tǒng)AutoBank軟件依托AutoCAD顯示出選取模型斷面的最大出逸水力梯度值，見表1。

堤防各斷面最大出逸水力梯度為0.32，小于重粉質(zhì)砂壤土流土型滲透變形的容許最大出逸水力梯度值0.5，堤防防洪滲透穩(wěn)定滿足要求。

4 結(jié)語

基于水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)AutoBank軟件進行滲流穩(wěn)定計算，經(jīng)過斷面選取、建立模型、單元劃分等過程，對實際工程邊界條件復雜、滲流介質(zhì)不單一情況進行滲流穩(wěn)定分析計算，得出計算結(jié)果基本符合實際。

AutoBank軟件與AutoCAD同界面直接使用，只須提供壩身斷面尺寸、水頭、進出流邊界條件等數(shù)據(jù)在圖形界面中完成操作，為滲流計算提供了極大的便利，具有方便、快捷等特點，提高了工作效率。

利用AutoBank軟件進行滲流穩(wěn)定計算，結(jié)果可靠，為河道治理設計提供計算依據(jù)，從而確定合理的設計方案■

（專欄編輯：顧 梅）