Geo-Slope软件在小型水库大坝结构稳定分析中的应用

李 宁,刘建林,2,高双强,雒望余

(1.西安理工大学 水利水电学院,陕西 西安 710048;2.商洛学院,陕西 商洛 726000;3.西安市水利建筑勘测设计院,陕西 西安 710054)

0 引 言

自20世纪60～70年代以来,我国陆续修建了众多的小型水库,其中包括小(一)型和小(二)型水库,据有关资料统计,至今我国约有81893座小型水库[1],这些水库自修建以来,在农业生产灌溉、人畜饮水、防洪减灾、工业用水、发展养殖产业等方面发挥了重要的作用。然而由于种种原因,如水库在建设过程中大多数为“三边”工程、受当时的施工技术条件的限制、长时间超负荷使用缺乏相应的维修监控等原因,导致这些水库如今多少都出现了一些相应的问题。同时,在经过了近50 a的使用以后,工程设施均出现了不同程度的老化与损坏,对其正常效益的发挥和工程的安全运行带来了潜在威胁,也给相应的管理工作增加了困难,因此,对小型水库的除险加固工作就显得十分必要。据相关资料统计,西安市蓝田县现拥有小(一)型水库3座,小(二)型水库12座,本文结合在西安市蓝田县宋寨水库大坝安全评价中的工作,详述Geo-Slope软件在水库结构稳定分析中的应用。

1 Geo系列软件功能特性

Geo-Studio是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件。它包含边坡稳定性分析模块Slope/W、岩土应力应变分析模块Sigma/W、地下水渗流分析模块Seep/W以及地震应力应变分析模块Quake/W模块等一系列的分析模块。其中,Slope/W的计算原理采用极限平衡法,包括瑞典条分法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法等[2],本文在进行结构稳定分析时所采用的方法为Morgenstern-Price法[2,3]。

与其他有限元分析软件如ANSYS相比,由于采用纯二维平台,Geo-Studio在作稳定性分析时速度更快,更加便捷,在收集相应物理数据资料后,在短时间内即可建立模型进行分析,因此更加适用于小型水库的分析计算,同时也节省人力资源,缩短计算周期。西安理工大学自购入该软件以来,已将其运用于10余座水库的大坝安全评价以及其他方面的工作中,取得了良好的效果。

2 Geo-Slope操作步骤

Geo-Studio的操作并不复杂,现将Geo-Slope软件的操作步骤总结如下:

(1)建模。Geo-Studio软件有两种建模方法,一是在软件内直接建模,这种方法的缺点是对于模型的精度不好把握;另一种方法是导入式建模,在AutoCAD等软件内绘制二维模型并导入Geo-Studio内,设定相应的缩放参考,最后完成相应的建模工作。

(2)进行Seep/W渗流分析计算。对于土石坝稳定计算,渗流分析是稳定分析的前提,稳定分析过程需要渗流分析的部分计算成果,在进行渗流分析后,软件会自动调用传递模型参数。本文着重介绍Slope/W稳定分析计算,因此对渗流分析不做介绍。

(3)模型传递,进行条件赋值。在Seep/W计算完毕后,跳转至Slope/W计算平台,并根据土力试验所得到的相应参数进行赋值,赋值完毕后计算机即可根据选定的计算方法进行计算。

(4)输出计算结果,并进行相应的分析。其中一个重要的参数是安全系数,参考相应的规范规定加以分析。

3 工程实例

3.1 工程概况

宋寨水库位于西安市蓝田县厚镇乡张岭村,该水库以灌溉农田为主,是一座兼有渔业、防洪等综合利用的小(二)型水库,水库流域面积4 km2,大坝为均质土坝,坝轴线呈南北方向,两岸坡较陡,坝高21m,坝顶宽5m,长123m,迎水坡平均坡比为1∶2.08,背水坡平均坡比为1∶1.75;大坝坝顶高程218.21 m,正常蓄水位215.76 m;水库总库容71.8×104m3,有效库容50×104m3,宋寨水库于1969年11月开工,1972年竣工。

3.2 计算前准备

在进行稳定性分析计算之前,需要准备的内容主要有:

(1)根据实地勘测,获得坝体剖面图形,该剖面应采用AutoCAD绘制。

(2)根据坝体土样试验,获得必要的相关参数,本工程的参数见表1。

(3)确定计算剖面,对于小型水库的坝体,仅需采用最大坝高断面进行分析计算即可。

(4)确定计算工况,该工程仅考虑正常蓄水位下的坝体稳定性,另外,对于地震时的情况,需要增加相应的地震荷载进行计算,并加以分析。

在这些需要准备的内容中,坝体剖面图形越精确、坝体土样参数越多,则得到的结果就越准确。在实际应用中,特别是对于小型水库的除险加固应用中,部分参数可取经验值进行计算,以达到加快计算周期的目的。表1是宋寨水库经过坝体取样试验所得到的参数值。

表1 宋寨水库稳定计算有关指标

值得一提的是,对于均质土坝,坝基材料、下游排水棱体材料、上游坝面覆盖层材料均与坝体土材料有所不同,在大型工程的计算当中,这些材料指标的准确性是不得忽视的。本工程由于时间因素以及工程规模的限制,部分材料参数选取了经验值进行计算。

3.3 稳定性计算

土石坝的稳定性计算需要考虑的代表性工况主要有以下三种:施工期、稳定渗流期、水库水位降落期[4]。水位降落期工况是指水库自某一稳定的运行蓄水位快速降落至死水位、防汛水位或其他低水位过程中上游坝坡的稳定;稳定渗流期工况是指上游为正常蓄水位或设计洪水位,下游分别为相应水位时下游坝坡的稳定[4,5]。宋寨水库由于长久失修,加之其所在河道流量亦不大,综合多方面因素考虑,仅分析其稳定渗流期工况下的稳定性。

在准备工作完成的基础上,使用Geo-Slope软件进行稳定性计算,下面对计算过程进行详细说明。

(1)建模,从AutoCAD中导入坝体剖面二维图形,以此为蓝本进行模型建立。建立完毕并且完成剖分过程的模型如图1所示。

图1 宋寨水库计算模型

(2)在进行Seep/W计算后,点击左侧Slope/W进入Slope计算环境,系统将自动传递模型至新环境下。

(3)根据表1中所给的参数,对模型的材料进行赋值,所赋的值有密度、内摩擦角、粘聚力共三项。在此需要注意的是,对于坝体不同部位、不同材料分别进行赋值,在建模的时候如果划分的材料越细致则计算结果就会更加精确。

(4)首先对坝体上游面进行稳定计算,选取滑动圆心范围(Draw Slip Surface Grid)、滑动半径范围(Draw Slip Surface Radius)、确定传递参数来源(在AnalysisSetting内的PWP页签中选择Seep/W项)、计算方法(对于多数工程,建议采用Morgenstern-Price法)、滑动方向(Direction of movement)等选项,确定后即可进行计算。计算的结果将直接显示在窗口中,见图2,图中标注了滑动圆心、范围以及安全系数等重要参数,这些参数为后面的分析提供依据。

图2 上游坝面稳定性计算结果

(5)上面计算的是在正常工况下的稳定性,返回模型参数输入菜单,输入相应的地震荷载系数。本工程基本地震烈度为Ⅶ度,根据设防烈度Ⅶ度,计算用水平和竖直地震动峰值加速度均取0.15g,在设定完毕后重新进行相应计算。最终的计算成果汇总见表2。

表2 大坝安全稳定计算结果

3.4 计算结果分析

我国于2000年发布了《水库大坝安全评价导则》(SL258-2000),水库大坝的安全评价工作,包括抗滑稳定性分析均应依照此规范进行,本工程是土石坝,依照《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)中的规定,不同工况下安全系数的规定如表3所示。

表3 坝坡抗滑稳定最小安全系数

根据表3可以得出如下结论:

(1)宋寨水库上游坝坡在正常应用条件下计算出的安全系数大于规范所规定的安全系数,下游坝坡在正常应用条件下计算出的安全系数小于规范所规定的安全系数,因此仅上游坝坡能满足稳定要求。

(2)在添加地震荷载条件后,安全系数进一步下降,K=1.09即在Ⅶ度地震烈度作用下安全系数突然下降到1.09,这符合地震作用对坝体安全系数影响的规律。上游坝坡、下游坝坡计算出的安全系数均小于规范所规定的安全系数,因此上游坝坡、下游坝坡在地震情况下处于不稳定状态。

经过计算分析可以看出,该坝体仅上游坝坡在正常工况下可以满足规范的稳定性要求,其余情况均不符合规范要求。这基本符合小型水库的现状,由于长时间没有维护的情况下超负荷运行,现在已经出现了不少问题,也是迫切需要治理的问题。

4 结 语

通过计算可以看出,该水库大坝在长时间运行后,已经出现了较为明显的问题。在对蓝田县剩余6座小(二)型水库的安全评价工作中,可以看到目前的小型水库,均存在类似的抗滑稳定性不合格情况,特别是在遇地震的条件下,因此,需要对这一批小型水库进行除险加固处理。

Geo-Slope软件仅针对坝体本身的参数进行计算,在计算过程中忽略了一部分外部条件,如降雨、其他地面渗流等对坝坡面稳定性的影响,如果适当考虑相应的影响因素,计算结果将会更贴近实际情况。

以蓝田县宋寨水库为例的整个计算过程中,可以看到,Geo-Slope软件在处理结构稳定性计算的过程中,无论是计算速度或是精度均能达到较高的水平,这说明应用计算机软件进行辅助计算分析在小型水库除险加固工作中是完全必要的,这也是现场安全检测的一个有益补充。绝大多数小型水库,自建坝以来,都没有做过渗流稳定计算和结构稳定计算,本次计算工作也正是填补了这一空白,为今后定期的安全鉴定提供了相应的参考依据。

[1]贾永超.小型水库除险加固问题探讨[J].河南水利与南水北调,2009,(4):49,54.

[2]郑 涛,张玉灯,毛新生.基于Geo-Slope软件的土质边坡稳定性分析[J].水利与建筑工程学报,2008,6(1):6-8,33.

[3]陈昌富,朱剑锋,龚晓南.基于响应面法和Morgenstern-Price法土坡可靠度计算方法[J].工程力学,2008,25(10):166-172.

[4]祁庆和.水工建筑物[M].北京:中国水利水电出版社,1998.

[5]王成华.土力学原理[M].天津:天津大学出版社,2002.