Autobank有限元分析在杏山水库渗流稳定计算中的应用

黄梦婷，李建国

（安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院，安徽 合肥 230088）

0 前言

土坝渗流是引起坝体渗漏、滑坡等破坏的主要原因之一，水库土坝渗流稳定计算在水库除险加固中尤为重要。目前渗流计算方法运用广泛的有现场试验方法、经验公式方法等方法，由于水库坝体断面土层实际分布情况较为复杂，计算结果与实际情况存在一定差异。河海大学研究开发的AOTUBANK软件集渗流、应力、稳定计算一体化，并结合实际勘测资料，通过1：1构建坝体断面模型利用有限元技术对坝体渗流稳定进行模拟分析，计算结果更具可靠性。

1 Autobank渗流分析原理

土石坝渗流稳定分析中土和水的压缩性，符合达西定律的非均匀各向异性二维渗流场，通过达西定律与连续方程结合推导出稳定渗流的微分方程式：

式中：φ 为水头势函数；kx，ky为 x，y 轴方向的渗透系数。

水头φ边界条件为：

其中lx，ly为边界表面向外法线在x，y方向的余弦。

对渗流场进行有限元离散分析，假定单元渗流场的水头函数势为多项式，由微分方程及边界条件确定问题的变形形式，可导出线性方程组：

式中：［H ］为渗透矩阵；｛φ｝为渗流场水头；｛F｝为节点渗流量。

求解以上方程组可以得到节点水头，据此求得单元的水力坡降，流速等物理量。求解渗流场的关键是确定浸润线位置、坝体渗流流速与坡降、渗流量，Autobank采用节点流量平衡法通过迭代计算自动确定浸润线位置、坝体渗流流速与坡降、渗流量。

2 杏山水库渗流计算

2.1 工程基本情况

杏山水库位于萧县东南低山区，流域面积2.82km2，总库容30.0万m3，属新汴河水系。杏山水库是一座以坡地径流为主要水源的小（2）型水库。水库正常蓄水位86.00m，设计洪水位87.17m，校核洪水位88.06m，死水位82.00m（黄海高程基准）。坝体为均质土坝，坝长480m，坝顶宽度4m，坝顶高程89.00m，最大坝高6.8m。

2.2 坝体工程地质条件

水库大坝坝身填土为素填土，土质以重粉质壤土为主，夹有轻粉质壤土及少量粉质粘土。①层素填土主要分布大坝坝身上部，层厚3.1m～3.8m，强度中等，中等压缩性，中等韧性；②层为重粉质壤土，层厚0.6m～5.4m，可塑，湿，强度中等，中等压缩性，中等韧性。

孔隙潜水主要分布于重粉质壤土、粉质粘土层中，具有微透水性。坝身水平渗透系数i×10-5cm/s，垂直渗透系数i×10-6cm/s，属于弱脱水性。调查和勘察表明，坝身施工清基不彻底，造成坝基与基岩接触部位渗透明显，渗透系数i×10-5cm/s，属于中等透水性。

2.3 坝体渗流稳定计算分析

2.3.1 渗透系数的选取

根据地质报告提供的坝体断面地质资料，选取最不利断面即坝高较高坝体较陡断面作为典型断面进行渗透稳定计算分析。渗流稳定计算中涉及的渗透系数等计算参数取值，采用地质报告中注水试验及各土层的渗透计算参数详见表1。

大坝典型断面各分区渗透计算参数表 表1

2.3.2 计算工况、方法及成果

结合实际运用，土坝渗流计算应选用水库运行中出现的最不利条件进行渗流稳定分析，因此，该水库主要渗流计算分析为水库正常蓄水位86.00m、水库设计洪水位87.17m、水库校核洪水位88.06m以及由水库校核洪水位88.06m降至正常蓄水位86.00m四种工况水位下的渗流稳定情况，并根据笔者实际地形考察，四种工况下坝后均做无水处理，即计算时坝后水位高程采用坝脚地面高程80.51m进行代替。

现状大坝计算断面图四种水位工况下的渗流等势线和大坝的浸润线位置图以及单宽渗流量见图1～图5；大坝渗流计算成果见表2。

图1 大坝典型断面图

图2 大坝水库正常蓄水位工况下渗流计算图

图3 大坝水库设计洪水位工况下渗流计算图

图4 大坝水库校核洪水位工况下渗流计算图

图5 大坝水库校核洪水位骤降工况下渗流计算图

各工况下渗流计算成果 表2

从计算结果可见，坝体最大坡降、出逸点坡降、出逸点高程及单宽流量随着工况水位的上升均呈现依次递增数值规律，且坡降值均未超出允许渗透坡降范围，根据计算结果可判断出大坝渗流稳定满足要求。

2.4 大坝典型断面结构安全渗流计算分析

2.4.1 典型断面及计算参数选取

与渗透稳定计算断面对应，大坝坝坡稳定分析亦选择渗流计算断面作为典型计算断面，计算坝坡抗滑稳定安全系数。根据大坝横断面图、工程地质剖面图及现场取样与室内土工试验成果，对选定的计算断面进行简化，坝身土料的物理力学指标均直接采用地勘报告提供的建议值。指标具体取值见表3。

大坝稳定分析选用物理力学指标 表3

2.5.2 计算工况、方法及结果

分别对稳定渗流期的上、下游坝坡，库水位降落期的上游坝坡，以及正常运用遇地震的上、下游坝坡的抗滑稳定进行分析计算。根据该坝的实际情况，针对以下几种工况进行计算。

上游坡：正常运行条件下，库水位为正常蓄水位86.00m计算工况；非常运行条件下，库水位自校核洪水位88.06m骤降至正常蓄水位86.00m计算工况。下游坡：正常运行条件下，库水位为正常蓄水位86.00m计算工况；正常运行条件，库水位为设计洪水位87.17计算工况；非常运行条件下，库水位为校核洪水位88.06m计算工况。坝后水位高程选用同上。

图5 大坝典型断面图

图6 大坝正常蓄水位工况上游坝坡稳定计算图

图7 大坝校核洪水位骤降工况上游坝坡稳定计算图

图8 大坝正常蓄水位工况下游坝坡稳定计算图

图9 大坝设计洪水位工况下游坝坡稳定计算图

图10 大坝校核洪水位工况下游坝坡稳定计算图

大坝现状坝坡稳定计算成果表 表4

运用AOTUBANK计算程序中的瑞典法计算，坝坡抗滑稳定最小安全系数，判断坝坡抗滑稳定的安全性。大坝边坡稳定计算结果见表4，计算成果图见图5～图10。

根据计算结果可见，大坝上、下游坝坡随着计算工况水位的上升得到的有效应力值呈递减状，各工况下的最小抗滑稳定安全系数均大于规范允许值，坝体基本稳定。

3 结语

大坝渗流特性的研究主要从浸润线出逸点位置、坝体渗流流速与坡降、渗流量等多个方面进行的，AutoBank通过1：1构建坝体断面模型还原坝体的实际形态，并结合相关地质勘探资料选取各种材料渗透系数，对浸润线出逸点位置、渗流流速与坡降、渗流量进行有限元分析计算，计算结果与实际情况相符，为水库大坝除险加固提供有力的依据，在实际运用中具有重要意义。