，

(1. 張家界市永定區(qū)水利建設(shè)項目管理中心，湖南 張家界 427000；2. 十堰市鄖縣水利水電勘探建筑設(shè)計院，湖北 十堰 442500)

在中小型土石壩工程除險加固設(shè)計中，必須對除險加固后的壩坡進行滲流及結(jié)構(gòu)安全復(fù)核，從而確保加固后的壩坡穩(wěn)定。各設(shè)計單位在復(fù)核過程中，采用了Autobank、HH-SLOPE、SSC等程序。然而單獨使用某個程序，難以滿足除險加固設(shè)計的需要。本文基于Autobank和SSC程序的聯(lián)合應(yīng)用來達成該目的。

1 Autobank與SSC程序簡介

Autobank程序針對我國水利行業(yè)的要求而設(shè)計，具有明顯行業(yè)特點，可對土壩、堤防等水工建筑物進行詳細的分析計算。軟件界面友好，操作簡便，輸出結(jié)果全面、圖形美觀。 軟件集滲流，變形，應(yīng)力，穩(wěn)定計算功能于一體，各計算階段無縫結(jié)合。眾多設(shè)計院長期使用表明，軟件運行穩(wěn)定，結(jié)果可靠。

Autobank程序主要功能為：

①穩(wěn)定滲流場分析；②位移、應(yīng)力應(yīng)變分析；③施工順序模擬；④結(jié)構(gòu)力學(xué)計算桿件系統(tǒng)的內(nèi)力與位移；⑤Biot固結(jié)計算；⑥穩(wěn)定計算；⑦全部圖形化交互式前后處理。

SSC程序即《多種土質(zhì)邊坡的滑動平衡分析計算機程序》，該程序采用極限平衡法計算邊坡的抗滑穩(wěn)定性，可用于各種工況下邊坡的穩(wěn)定計算，自動搜索最危險滑裂面，給出各滑面包括最危險滑裂面的安全系數(shù)、滑弧圓心坐標和滑弧半徑。程序會判斷并給出最危險滑裂面相對應(yīng)的滑弧與土坡邊界線的交點，為自動繪制圖形提供了必要的參數(shù)。計算結(jié)束后，程序自動鏈接AutoCAD繪制結(jié)果圖，并進行簡單的標注，整個計算過程極其簡單快捷。

2 對土石壩除險加固設(shè)計的要求

《湖南省病險水庫除險加固初步設(shè)計導(dǎo)則》規(guī)定：關(guān)于滲流安全和結(jié)構(gòu)安全復(fù)核，在除險加固設(shè)計中，對于處理后的大壩均應(yīng)作滲流和結(jié)構(gòu)安全方面的復(fù)核計算，說明大壩經(jīng)處理后的安全狀況。碾壓式土石壩應(yīng)按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)的滲流計算內(nèi)容和滲流計算的水位組合情況作滲流計算，并對穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡、水庫降落期的上游壩坡作抗滑穩(wěn)定計算。各種計算工況，土體的抗剪強度均采用有效應(yīng)力法計算，黏性土大壩枯水位降落期同時應(yīng)采用總應(yīng)力法計算。

雖然Autobank程序也有穩(wěn)定計算功能，但僅能輸出①指定滑動面的安全系數(shù)(設(shè)計人員自行指定滑動面)；②全局最危險滑動面及其安全系數(shù)(設(shè)計人員自行指定搜索范圍)；③指定滑動面的出口推力。無法滿足前述導(dǎo)則中有關(guān)壩坡抗滑穩(wěn)定計算的要求；而SSC程序?qū)ｉT針對邊坡穩(wěn)定進行開發(fā)，能計算各種工況下的壩坡穩(wěn)定。因此，筆者聯(lián)合應(yīng)用兩種程序，充分利用兩個軟件的優(yōu)勢，取得了較好的效果。

3 工程實例應(yīng)用

3.1 工程概況

HJW水庫位于×××市××區(qū)西南部，坐落在××區(qū)后坪境內(nèi)，是一座以灌溉為主，兼有防洪、養(yǎng)魚等效益的小(Ⅱ)型水庫。

HJW水庫樞紐主要建筑物包括大壩、溢洪道及放水設(shè)施。

水庫大壩壩型為黏土心墻土壩。實際壩高20.0 m，壩頂軸長127.0 m，壩頂寬4.2 m，壩底寬114.5 m，壩頂高程201.2 m，壩底高程181.2 m。水庫的正常蓄水位197.0 m，相應(yīng)庫容42.0萬m3；設(shè)計洪水位198.15 m，相應(yīng)庫容49.54萬m3；校核洪水位198.59 m，相應(yīng)庫容52.52萬m3。

3.2 大壩存在的主要病險問題

大壩上下游壩坡坡面不規(guī)則，有凹凸現(xiàn)象。由于大壩施工質(zhì)量差，上游壩坡無護砌，高低起伏不平。下游壩坡左、右岸邊坡無排水溝，不規(guī)則，馬道有3條，壩坡面高低不平。經(jīng)安全穩(wěn)定復(fù)核：上游壩坡是穩(wěn)定的，下游壩坡是穩(wěn)定的，但壩坡極不規(guī)范，在高程190.4 m處有橫過壩坡灌溉渠道，斷面B×H=0.4×0.5 m，不滿足《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)(以下簡稱規(guī)范)的要求。

在正常蓄水位時壩腳滲漏總量約為6.7 L/s，在高程187.4 m以下壩面有濕潤浸水現(xiàn)象，下游壩坡腳無排水設(shè)施，壩腳出現(xiàn)沼澤化。

HJW水庫沒有設(shè)置任何大壩安全監(jiān)測設(shè)施。

3.3 大壩現(xiàn)狀滲流及穩(wěn)定安全復(fù)核

由于大壩心墻土質(zhì)較差，填筑時又夯壓不實，密實度差，造成心墻防滲效果不明顯；大壩在下游無水而上游水位為正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位及188.0 m(上游瞬時水位)4種工況下的最大滲透坡降均大于0.5，易發(fā)生流土現(xiàn)象，造成滲漏嚴重，這也與現(xiàn)場檢查的結(jié)果是相吻合的，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，在下游壩腳滲漏嚴重，且在滲漏中可見有黏土顆粒。因此，滲流性態(tài)屬于不安全。

大壩計算斷面下游壩坡在正常蓄水位和設(shè)計洪水位情況下和校核洪水位情況下的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(采用有效應(yīng)力法計算)分別大于《規(guī)范》要求的最小值1.25和1.15，故HJW水庫大壩下游壩坡是穩(wěn)定的；在上游瞬時水位為188.0 m情況下用有效應(yīng)力法算得的上游壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.173大于《規(guī)范》要求的最小值1.15，故HJW水庫大壩上游壩坡是穩(wěn)定的，可以判定整個水庫大壩是穩(wěn)定的。

3.4 大壩除險加固設(shè)計內(nèi)容

(1)對大壩上游壩坡整形，壩坡坡比按原壩坡不變，壩坡面鋪設(shè)預(yù)制混凝土六棱塊防雨水沖刷和波浪淘刷；下游壩坡整形，左、右岸邊坡布置排水溝，從高程201.2 m至高程192.7 m原坡比為1:1.6、1:2.4二級，整形后為一級坡，坡比為1:2.2，設(shè)二級馬道采用C15混凝土硬化，壩坡上的灌溉渠道采用厚0.3mC15混凝土進行加固防滲，壩腳設(shè)貼坡式排水體，坡面種植草皮護坡，周邊設(shè)C15混凝土攔畜板，高程192.7 m以下的壩坡不變，190.4 m處的灌溉渠道改線，從下游壩坡腳排水棱體外布設(shè)倒虹吸管。

(2)根據(jù)壩體的工程地質(zhì)條件與施工條件決定，對壩體采用充填灌漿，大壩壩肩采用帷幕灌漿防滲，帷幕灌漿深度應(yīng)在壩基深入基巖面透水率10Lu部位以下，大壩壩肩從壩頭向外延伸10 m，增強壩體、壩基防滲能力。

3.5 大壩除險加固后滲流及穩(wěn)定安全復(fù)核

3.5.1 大壩滲流安全復(fù)核

(1)滲流復(fù)核計算斷面的選取

大壩壩型為下游有排水棱體的黏土心墻土壩，選擇最大橫斷面進行滲流計算分析，經(jīng)過簡化后按黏土心墻土壩作二維有限元滲流計算分析。

(2)滲透分區(qū)、分塊及指標的確定

查閱大壩建設(shè)和運行管理資料，結(jié)合計算要求，并參照同類工程的經(jīng)驗，將大壩滲流計算斷面分成5個滲透區(qū)。對現(xiàn)場所取原狀土樣進行室內(nèi)土工試驗得出各區(qū)滲透數(shù)據(jù)指標見表1。

表1 大壩滲流計算斷面的滲透分區(qū)指標

(3)計算程序簡要說明

AutoBank程序可用來計算水位降落期土壩上游壩坡的非穩(wěn)定滲流和下游壩坡的穩(wěn)定滲流，以及任意過流斷面的滲流量。程序具有自動剖分功能，只要給出剖分信息，單元及結(jié)點信息即可由程序自動形成。通過計算，可以獲得浸潤線位置、所有節(jié)點水頭值、不同百分比的等勢線等成果。該程序輸入?yún)?shù)較少，使用簡便，同時計算結(jié)果具有較高的精度，可以滿足實際工程的技術(shù)和精度要求。

(4)滲流計算工況

計算工況的選取遵循《規(guī)范》規(guī)定，本次大壩滲流計算分析選取共4種工況進行穩(wěn)定滲流計算分析。4種工況如下：

①上游正常蓄水位197.0m，下游無水； ②上游設(shè)計洪水位198.15m，下游無水；③上游核核洪水位198.59m，下游無水；④上游瞬時水位188.00m，下游無水。

(5)滲流復(fù)核結(jié)果

通過本實驗認為：早產(chǎn)兒暫時性低甲狀腺素血癥與腦損傷相關(guān)標志物有一定的相關(guān)性，通過對兩組早產(chǎn)兒行NNNS神經(jīng)行為評估后發(fā)現(xiàn)，THOP對早產(chǎn)兒神經(jīng)系統(tǒng)有一部分影響，可能是早產(chǎn)兒神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育不良的信號，但對其遠期神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的評估，需要更多的數(shù)據(jù)進一步研究。

前3種工況均為穩(wěn)定滲流，后一種為非穩(wěn)定滲流。從復(fù)核結(jié)果可以看出大壩在各種工況下的浸潤線均從下游壩坡排水帶出逸，出逸點較低，最大滲透坡降均小于容許滲透坡降([J]=0.5)，且下游壩坡及壩腳設(shè)置了砂石等反濾層防護措施。計算結(jié)果見表2。

表2 HJW水庫大壩標準斷面最大滲透坡降值

3.5.2 大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全復(fù)核

大壩現(xiàn)狀穩(wěn)定安全復(fù)核表明：HJW水庫大壩上游壩坡滿足穩(wěn)定要求，因此下文只對下游壩坡的穩(wěn)定進行復(fù)核。

(1)壩坡穩(wěn)定計算斷面的選取

本次壩坡抗滑穩(wěn)定的計算分析斷面也是選擇大壩最大斷面。

(2)計算程序簡要說明

壩坡抗滑穩(wěn)定計算采用SSC程序，該程序用Bishop法算出圓弧滑裂面的安全系數(shù)，并自動搜尋出最小安全系數(shù)及其相應(yīng)的滑弧位置。SSC程序能用有效應(yīng)力法計算各種工況下的邊坡穩(wěn)定分析，強度指標可采用單一強度或組合強度。

(3)物理力學(xué)指標的選擇

該壩壩坡穩(wěn)定考慮僅下游壩坡的穩(wěn)定計算，計算斷面的材料分區(qū)及物理力學(xué)指標由室內(nèi)土工試驗結(jié)果計算統(tǒng)計確定。為了精簡計算過程，將大壩下游壩坡穩(wěn)定計算斷面簡化成3個材料區(qū)，各個材料分區(qū)所采取的物理力學(xué)數(shù)據(jù)指標見表3。

表3 材料分區(qū)的物理力學(xué)指標

(4)壩坡穩(wěn)定計算工況

根據(jù)《規(guī)范》的要求，結(jié)合壩身的滲流計算結(jié)果，考慮到該水庫的運行情況，本次大壩壩坡穩(wěn)定只考慮下游壩坡的穩(wěn)定計算，即壩坡培厚放緩邊坡后大壩上游水位分別為校核洪水位、設(shè)計洪水位和正常蓄水位，下游無水共3種工況下，大壩下游壩坡的穩(wěn)定計算。

(5)大壩結(jié)構(gòu)安全復(fù)核結(jié)果

大壩上游水位分別為正常水位197.00 m、設(shè)計洪水位198.15 m，校核洪水位198.59 m，下游無水共3種工況下，大壩下游壩坡的穩(wěn)定計算結(jié)果見表4。

表4 計算斷面下游壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果

大壩設(shè)計斷面下游壩坡在所選工況下計算得的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范要求的最小值，故大壩下游壩坡在此工況下是穩(wěn)定的。

綜上可知大壩上下游壩坡加固設(shè)計是合理的。

4 Autobank和SSC程序聯(lián)合應(yīng)用小結(jié)

(1)Autobank和SSC程序開發(fā)初衷不同，因此各有其適用范圍，但除險加固設(shè)計要同時進行多種情況的設(shè)計復(fù)核，因此必須聯(lián)合應(yīng)用各種程序才能解決問題。

(2)上述程序的聯(lián)合應(yīng)用，可以采用相同的計算模型，從而可減少數(shù)據(jù)準備工作量及節(jié)約時間，同時避免了手算的繁雜和不準確性，提高了計算成果的準確性和精確度。還能根據(jù)計算成果繪出的成果圖，直觀顯示浸潤線的位置、大壩的滑動圓弧位置、滑弧深度及安全系數(shù)大小。

(3)由SSC程序確定可能的滑動區(qū)域，從而提出壩坡加固的合理方案，可以在最危險滑裂面位置采取措施提高土體的抗滑能力。