Autobank和SSC程序在土坝除险加固设计中的应用

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(1. 张家界市永定区水利建设项目管理中心，湖南 张家界 427000；2. 十堰市郧县水利水电勘探建筑设计院，湖北 十堰 442500)

在中小型土石坝工程除险加固设计中，必须对除险加固后的坝坡进行渗流及结构安全复核，从而确保加固后的坝坡稳定。各设计单位在复核过程中，采用了Autobank、HH-SLOPE、SSC等程序。然而单独使用某个程序，难以满足除险加固设计的需要。本文基于Autobank和SSC程序的联合应用来达成该目的。

1 Autobank与SSC程序简介

Autobank程序针对我国水利行业的要求而设计，具有明显行业特点，可对土坝、堤防等水工建筑物进行详细的分析计算。软件界面友好，操作简便，输出结果全面、图形美观。 软件集渗流，变形，应力，稳定计算功能于一体，各计算阶段无缝结合。众多设计院长期使用表明，软件运行稳定，结果可靠。

Autobank程序主要功能为：

①稳定渗流场分析；②位移、应力应变分析；③施工顺序模拟；④结构力学计算杆件系统的内力与位移；⑤Biot固结计算；⑥稳定计算；⑦全部图形化交互式前后处理。

SSC程序即《多种土质边坡的滑动平衡分析计算机程序》，该程序采用极限平衡法计算边坡的抗滑稳定性，可用于各种工况下边坡的稳定计算，自动搜索最危险滑裂面，给出各滑面包括最危险滑裂面的安全系数、滑弧圆心坐标和滑弧半径。程序会判断并给出最危险滑裂面相对应的滑弧与土坡边界线的交点，为自动绘制图形提供了必要的参数。计算结束后，程序自动链接AutoCAD绘制结果图，并进行简单的标注，整个计算过程极其简单快捷。

2 对土石坝除险加固设计的要求

《湖南省病险水库除险加固初步设计导则》规定：关于渗流安全和结构安全复核，在除险加固设计中，对于处理后的大坝均应作渗流和结构安全方面的复核计算，说明大坝经处理后的安全状况。碾压式土石坝应按《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)的渗流计算内容和渗流计算的水位组合情况作渗流计算，并对稳定渗流期的上、下游坝坡、水库降落期的上游坝坡作抗滑稳定计算。各种计算工况，土体的抗剪强度均采用有效应力法计算，黏性土大坝枯水位降落期同时应采用总应力法计算。

虽然Autobank程序也有稳定计算功能，但仅能输出①指定滑动面的安全系数(设计人员自行指定滑动面)；②全局最危险滑动面及其安全系数(设计人员自行指定搜索范围)；③指定滑动面的出口推力。无法满足前述导则中有关坝坡抗滑稳定计算的要求；而SSC程序专门针对边坡稳定进行开发，能计算各种工况下的坝坡稳定。因此，笔者联合应用两种程序，充分利用两个软件的优势，取得了较好的效果。

3 工程实例应用

3.1 工程概况

HJW水库位于×××市××区西南部，坐落在××区后坪境内，是一座以灌溉为主，兼有防洪、养鱼等效益的小(Ⅱ)型水库。

HJW水库枢纽主要建筑物包括大坝、溢洪道及放水设施。

水库大坝坝型为黏土心墙土坝。实际坝高20.0 m，坝顶轴长127.0 m，坝顶宽4.2 m，坝底宽114.5 m，坝顶高程201.2 m，坝底高程181.2 m。水库的正常蓄水位197.0 m，相应库容42.0万m3；设计洪水位198.15 m，相应库容49.54万m3；校核洪水位198.59 m，相应库容52.52万m3。

3.2 大坝存在的主要病险问题

大坝上下游坝坡坡面不规则，有凹凸现象。由于大坝施工质量差，上游坝坡无护砌，高低起伏不平。下游坝坡左、右岸边坡无排水沟，不规则，马道有3条，坝坡面高低不平。经安全稳定复核：上游坝坡是稳定的，下游坝坡是稳定的，但坝坡极不规范，在高程190.4 m处有横过坝坡灌溉渠道，断面B×H=0.4×0.5 m，不满足《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)(以下简称规范)的要求。

在正常蓄水位时坝脚渗漏总量约为6.7 L/s，在高程187.4 m以下坝面有湿润浸水现象，下游坝坡脚无排水设施，坝脚出现沼泽化。

HJW水库没有设置任何大坝安全监测设施。

3.3 大坝现状渗流及稳定安全复核

由于大坝心墙土质较差，填筑时又夯压不实，密实度差，造成心墙防渗效果不明显；大坝在下游无水而上游水位为正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位及188.0 m(上游瞬时水位)4种工况下的最大渗透坡降均大于0.5，易发生流土现象，造成渗漏严重，这也与现场检查的结果是相吻合的，现场检查发现，在下游坝脚渗漏严重，且在渗漏中可见有黏土颗粒。因此，渗流性态属于不安全。

大坝计算断面下游坝坡在正常蓄水位和设计洪水位情况下和校核洪水位情况下的最小抗滑稳定安全系数(采用有效应力法计算)分别大于《规范》要求的最小值1.25和1.15，故HJW水库大坝下游坝坡是稳定的；在上游瞬时水位为188.0 m情况下用有效应力法算得的上游坝坡最小抗滑稳定安全系数为1.173大于《规范》要求的最小值1.15，故HJW水库大坝上游坝坡是稳定的，可以判定整个水库大坝是稳定的。

3.4 大坝除险加固设计内容

(1)对大坝上游坝坡整形，坝坡坡比按原坝坡不变，坝坡面铺设预制混凝土六棱块防雨水冲刷和波浪淘刷；下游坝坡整形，左、右岸边坡布置排水沟，从高程201.2 m至高程192.7 m原坡比为1:1.6、1:2.4二级，整形后为一级坡，坡比为1:2.2，设二级马道采用C15混凝土硬化，坝坡上的灌溉渠道采用厚0.3mC15混凝土进行加固防渗，坝脚设贴坡式排水体，坡面种植草皮护坡，周边设C15混凝土拦畜板，高程192.7 m以下的坝坡不变，190.4 m处的灌溉渠道改线，从下游坝坡脚排水棱体外布设倒虹吸管。

(2)根据坝体的工程地质条件与施工条件决定，对坝体采用充填灌浆，大坝坝肩采用帷幕灌浆防渗，帷幕灌浆深度应在坝基深入基岩面透水率10Lu部位以下，大坝坝肩从坝头向外延伸10 m，增强坝体、坝基防渗能力。

3.5 大坝除险加固后渗流及稳定安全复核

3.5.1 大坝渗流安全复核

(1)渗流复核计算断面的选取

大坝坝型为下游有排水棱体的黏土心墙土坝，选择最大横断面进行渗流计算分析，经过简化后按黏土心墙土坝作二维有限元渗流计算分析。

(2)渗透分区、分块及指标的确定

查阅大坝建设和运行管理资料，结合计算要求，并参照同类工程的经验，将大坝渗流计算断面分成5个渗透区。对现场所取原状土样进行室内土工试验得出各区渗透数据指标见表1。

表1 大坝渗流计算断面的渗透分区指标

(3)计算程序简要说明

AutoBank程序可用来计算水位降落期土坝上游坝坡的非稳定渗流和下游坝坡的稳定渗流，以及任意过流断面的渗流量。程序具有自动剖分功能，只要给出剖分信息，单元及结点信息即可由程序自动形成。通过计算，可以获得浸润线位置、所有节点水头值、不同百分比的等势线等成果。该程序输入参数较少，使用简便，同时计算结果具有较高的精度，可以满足实际工程的技术和精度要求。

(4)渗流计算工况

计算工况的选取遵循《规范》规定，本次大坝渗流计算分析选取共4种工况进行稳定渗流计算分析。4种工况如下：

①上游正常蓄水位197.0m，下游无水； ②上游设计洪水位198.15m，下游无水；③上游核核洪水位198.59m，下游无水；④上游瞬时水位188.00m，下游无水。

(5)渗流复核结果

通过本实验认为：早产儿暂时性低甲状腺素血症与脑损伤相关标志物有一定的相关性，通过对两组早产儿行NNNS神经行为评估后发现，THOP对早产儿神经系统有一部分影响，可能是早产儿神经系统发育不良的信号，但对其远期神经系统发育的评估，需要更多的数据进一步研究。

前3种工况均为稳定渗流，后一种为非稳定渗流。从复核结果可以看出大坝在各种工况下的浸润线均从下游坝坡排水带出逸，出逸点较低，最大渗透坡降均小于容许渗透坡降([J]=0.5)，且下游坝坡及坝脚设置了砂石等反滤层防护措施。计算结果见表2。

表2 HJW水库大坝标准断面最大渗透坡降值

3.5.2 大坝结构稳定安全复核

大坝现状稳定安全复核表明：HJW水库大坝上游坝坡满足稳定要求，因此下文只对下游坝坡的稳定进行复核。

(1)坝坡稳定计算断面的选取

本次坝坡抗滑稳定的计算分析断面也是选择大坝最大断面。

(2)计算程序简要说明

坝坡抗滑稳定计算采用SSC程序，该程序用Bishop法算出圆弧滑裂面的安全系数，并自动搜寻出最小安全系数及其相应的滑弧位置。SSC程序能用有效应力法计算各种工况下的边坡稳定分析，强度指标可采用单一强度或组合强度。

(3)物理力学指标的选择

该坝坝坡稳定考虑仅下游坝坡的稳定计算，计算断面的材料分区及物理力学指标由室内土工试验结果计算统计确定。为了精简计算过程，将大坝下游坝坡稳定计算断面简化成3个材料区，各个材料分区所采取的物理力学数据指标见表3。

表3 材料分区的物理力学指标

(4)坝坡稳定计算工况

根据《规范》的要求，结合坝身的渗流计算结果，考虑到该水库的运行情况，本次大坝坝坡稳定只考虑下游坝坡的稳定计算，即坝坡培厚放缓边坡后大坝上游水位分别为校核洪水位、设计洪水位和正常蓄水位，下游无水共3种工况下，大坝下游坝坡的稳定计算。

(5)大坝结构安全复核结果

大坝上游水位分别为正常水位197.00 m、设计洪水位198.15 m，校核洪水位198.59 m，下游无水共3种工况下，大坝下游坝坡的稳定计算结果见表4。

表4 计算断面下游坝坡稳定计算结果

大坝设计断面下游坝坡在所选工况下计算得的最小抗滑稳定安全系数大于规范要求的最小值，故大坝下游坝坡在此工况下是稳定的。

综上可知大坝上下游坝坡加固设计是合理的。

4 Autobank和SSC程序联合应用小结

(1)Autobank和SSC程序开发初衷不同，因此各有其适用范围，但除险加固设计要同时进行多种情况的设计复核，因此必须联合应用各种程序才能解决问题。

(2)上述程序的联合应用，可以采用相同的计算模型，从而可减少数据准备工作量及节约时间，同时避免了手算的繁杂和不准确性，提高了计算成果的准确性和精确度。还能根据计算成果绘出的成果图，直观显示浸润线的位置、大坝的滑动圆弧位置、滑弧深度及安全系数大小。

(3)由SSC程序确定可能的滑动区域，从而提出坝坡加固的合理方案，可以在最危险滑裂面位置采取措施提高土体的抗滑能力。