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(guó)家“雙高計(jì)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(shí)踐能力,以實(shí)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(jì)算是水利水電建筑工程專業(yè)重點(diǎn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。為高質(zhì)量完成實(shí)訓(xùn),也為營(yíng)造真實(shí)的企業(yè)工作氛圍,打造理論與實(shí)踐相結(jié)合的一體化課程體系,經(jīng)過(guò)前期調(diào)研、專家論證以及公開(kāi)招標(biāo),水利工程學(xué)院于2022年9月采購(gòu)并安裝理正軟件,可配合完成多種實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

理正軟件是勘察設(shè)計(jì)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(jì)算,擁有界面簡(jiǎn)單、操作便捷且與水利行業(yè)規(guī)范緊密結(jié)合的特點(diǎn)[1],已經(jīng)協(xié)助完成諸多土石壩安全分析計(jì)算,并獲得良好效果[2-7]。文章結(jié)合土石壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì),應(yīng)用理正軟件的最新版本,在學(xué)生實(shí)訓(xùn)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)并歸納存在的問(wèn)題,詳細(xì)地總結(jié)主要計(jì)算過(guò)程中幾個(gè)重要步驟,最終通過(guò)軟件計(jì)算獲得安全穩(wěn)定的結(jié)論。

2 應(yīng)用研究

中國(guó)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(hù)下運(yùn)行數(shù)十年,很多土石壩都存在著不同程度的病險(xiǎn)問(wèn)題[8-9],因此除險(xiǎn)加固勢(shì)在必行。土石壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)一般包含以下內(nèi)容:壩體高度復(fù)核,護(hù)坡厚度復(fù)核,滲流分析,穩(wěn)定計(jì)算,以及確定壩體存在的安全隱患和選擇除險(xiǎn)加固的方式和措施。

案例選自課程實(shí)訓(xùn)土石壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案中滲流分析和穩(wěn)定計(jì)算部分。某庫(kù)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(jì)算需要用到的軟件模塊為滲流分析計(jì)算和邊坡穩(wěn)定分析。

2.1 土壩滲流分析

對(duì)土石壩進(jìn)行除險(xiǎn)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(yàn)壩體安全性,并為壩坡穩(wěn)定分析提供依據(jù)。計(jì)算內(nèi)容包括壩體浸潤(rùn)線、滲流出逸點(diǎn)位置、滲流流量和各點(diǎn)滲透壓力或滲透坡降,并繪制壩體及壩基內(nèi)等勢(shì)線分布圖或流網(wǎng)圖等。計(jì)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(yùn)行條件及其組合,一般需要計(jì)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(jì)洪水位/校核洪水位與下游相應(yīng)的水位,以及庫(kù)水位降落時(shí)上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況[10]。

在理正滲流分析計(jì)算模塊中,可根據(jù)需求新增案例(黏土心墻壩的滲透問(wèn)題,水庫(kù)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(jiǎn)化土壩剖面圖后使用軟件模塊中的輔助功能,通過(guò)讀取CAD文件自動(dòng)形成坡線、節(jié)點(diǎn)以及土層數(shù)據(jù)。

讀取的CAD文件必須滿足以下3個(gè)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(diǎn)沒(méi)有誤差(即保證圖形封閉)。

2)CAD中運(yùn)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(kāi)始到結(jié)束的節(jié)點(diǎn)號(hào)。

對(duì)CAD文件無(wú)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(diǎn)邊界條件等。注意,以軟件模塊識(shí)別出的計(jì)算簡(jiǎn)圖沒(méi)有多余線條、與簡(jiǎn)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(jì)算結(jié)果包含我們需要的全部計(jì)算內(nèi)容。結(jié)果中包含顯示浸潤(rùn)線(紅色)以及等勢(shì)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(gè)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(jì)算。文字結(jié)果可直接作為計(jì)算依據(jù),包括并不限于以下內(nèi)容:①計(jì)算簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)的水平投影和垂直投影;③土層信息包含坡面節(jié)點(diǎn)數(shù)附加節(jié)點(diǎn)數(shù)的編號(hào)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(hào)及邊界類型(已知水頭或可能的浸出點(diǎn))、點(diǎn)邊界數(shù)據(jù)編號(hào)及邊界類型(已知水頭);⑤流量計(jì)算截面點(diǎn)數(shù)編號(hào)及坐標(biāo)、滲流量、浸潤(rùn)線坐標(biāo)和滲透坡降。

2.2 土壩穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[11],土石壩設(shè)計(jì)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(shí)間的長(zhǎng)短劃分為“正常運(yùn)用條件”、“非常運(yùn)用條件Ⅰ”和“非常運(yùn)用條件Ⅱ”。由于除險(xiǎn)加固工程多為在使用工程,排除施工期,因此實(shí)訓(xùn)中進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算的工況簡(jiǎn)化為以下3種:①3種水位(正常蓄水位/設(shè)計(jì)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(jì)算;②2種水位(正常蓄水位/設(shè)計(jì)洪水位)遇地震情況下,下游壩坡的穩(wěn)定計(jì)算;③庫(kù)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(jì)算。

對(duì)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(dòng),因此瑞典圓弧法是目前土石壩設(shè)計(jì)中壩坡穩(wěn)定分析的主要方法之一。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用,能基本滿足工程精度要求,特別在中小型土石壩設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。而瑞典圓弧法的主要缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮土條間的作用力,使得計(jì)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(shuō)明壩體必然穩(wěn)定。簡(jiǎn)化的畢肖普法可彌補(bǔ)瑞典圓弧法的缺點(diǎn),同時(shí)也是土壩壩坡穩(wěn)定分析中使用較多的方法。圓弧法計(jì)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(xiǎn)的圓弧位置(對(duì)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(jì)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(fèi)蘭紐斯法。B.B方捷耶夫法認(rèn)為最危險(xiǎn)圓弧滑動(dòng)面的圓心在一個(gè)扇形四邊形范圍內(nèi),扇形四邊形由一點(diǎn)兩線內(nèi)徑外徑確定,其中一點(diǎn)為壩坡中點(diǎn),兩線為以壩坡中點(diǎn)做鉛直線和85°線(與壩坡的夾角為85°),扇形以壩坡中點(diǎn)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(fèi)蘭紐斯法認(rèn)為最危險(xiǎn)圓弧滑動(dòng)面的圓心在兩點(diǎn)的延長(zhǎng)線上。實(shí)際應(yīng)用中,可兩種方法聯(lián)合使用最終確定最危險(xiǎn)圓弧滑動(dòng)面圓心的范圍,再進(jìn)一步計(jì)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(jì)算,根據(jù)需求新增案例,直接選中系統(tǒng)默認(rèn)案例,打開(kāi)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(rùn)線以及孔隙水壓力等。讀入文件后對(duì)其他內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)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(rùn)線條件的水面信息等。先對(duì)上游進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算,獲得計(jì)算結(jié)果后,可以通過(guò)軟件輔助功能中鏡像原始數(shù)據(jù)選項(xiàng)獲得下游計(jì)算結(jié)果。理正軟件中滲流分析得到的計(jì)算結(jié)果包含需要的全部計(jì)算內(nèi)容,文字結(jié)果可直接作為計(jì)算依據(jù),包括并不限于以下內(nèi)容:①計(jì)算簡(jiǎn)圖按比例縮小(帶有浸潤(rùn)線);②控制參數(shù)包含選用規(guī)范、計(jì)算方法、滑動(dòng)面形狀(圓弧滑動(dòng)或折線滑動(dòng))、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(duì)應(yīng)的水平投影和垂直投影;④土層信息包含坡面節(jié)點(diǎn)數(shù)附加節(jié)點(diǎn)數(shù)的編號(hào)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(hào)及起始點(diǎn)坐標(biāo);⑥計(jì)算條件包含圓弧穩(wěn)定分析方法(瑞典條分法或簡(jiǎn)化的畢肖普法或其他)、土條重切向分力與滑動(dòng)方向反向時(shí)(當(dāng)滑動(dòng)力對(duì)待或當(dāng)抗滑力對(duì)待)、穩(wěn)定計(jì)算方法(自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧或指定圓心范圍搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧或給定圓心半徑計(jì)算安全系數(shù)等);⑦計(jì)算結(jié)果包含計(jì)算結(jié)果圖按比例縮小(帶有浸潤(rùn)線、圓心位置和最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧)、最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧圓心坐標(biāo)、半徑長(zhǎng)度、總的滑動(dòng)力抗滑力計(jì)算過(guò)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(shuō)明該工程存在安全隱患,需要進(jìn)行加固處理。

3 存在的問(wèn)題及解決辦法

使用理正軟件進(jìn)行滲流分析及穩(wěn)定計(jì)算可能遇到的問(wèn)題有:

1)發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(diǎn)已滿,等待或重新連接。

2)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題:軟件中使用輔助功能讀取CAD文件失敗。

解決辦法:檢查簡(jiǎn)化完成的CAD文件是否保存為DXF格式。

3)發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(gè)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(wèn)題:軟件中使用輔助功能可以讀取CAD文件,但計(jì)算簡(jiǎn)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(wèn)題:尋找最危險(xiǎn)圓弧滑動(dòng)面和圓心時(shí)間過(guò)長(zhǎng),機(jī)器內(nèi)存無(wú)法支持長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)算,得不到答案。

解決辦法:嘗試將自動(dòng)搜索調(diào)整為指定圓心范圍搜索。

6)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題:應(yīng)用軟件輔助功能中鏡像原始數(shù)據(jù)之后,無(wú)法獲得正確的最危險(xiǎn)圓弧滑動(dòng)面。

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

4 結(jié) 論

理正滲流分析計(jì)算和邊坡穩(wěn)定分析兩個(gè)模塊能夠較好地分析并計(jì)算壩體實(shí)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(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。手動(dòng)計(jì)算土石壩最危險(xiǎn)圓弧滑動(dòng)面和圓心,工作量大且極易出錯(cuò),使用軟件可有效簡(jiǎn)化計(jì)算,且結(jié)果可靠性高。在實(shí)訓(xùn)中可操作性強(qiáng),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(xiàng)目中,水工建筑物作為核心課程已經(jīng)開(kāi)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。