基于AUTOBANK防洪堤边坡渗流及稳定分析

李佳雨桐

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概 述

库车城市防洪工程防洪堤级别为2级堤防，防洪标准为50 a一遇洪水标准，相应的设计流量为189.85 m3/s。堤防工程中，防洪堤的渗流稳定以及边坡稳定是工程设计中需要考虑的重要问题。因此，在设计后要运用合理、可靠的方式对设计的结构进行渗流稳定及抗滑稳定分析，保证设计的合理性及工程的安全性。

AUTOBANK水工结构有限元分析系统，是河海大学力学系专门针对水利行业的需求设计的，可对渗流、变形、应力及稳定进行一体化计算，从建模、材料赋予、网格划分及后处理各个阶段无缝衔接，同时与AUTOCAD联合运用，使计算建模更为便捷。

本文通过使用AUTOBANK对设计的防洪堤进行水工建模分析，采用工程地勘的实际数据作为模型参数，最大程度还原模型真实性，通过模拟分析，得到防洪堤渗流稳定结果及抗滑稳定结果，给设计以指导。

2 建立模型

本次新疆库车防洪堤工程设计的防洪堤利用现场的原土填筑，即低液限粉土进行堤身填筑。边坡一坡到底，迎水面设计边坡为1∶2.00，背水面边坡为1∶1.75。堤顶宽度为6.00 m，堤顶高程1066.43 m，设计水位高程1065.03 m[1]。

在AUTOCAD软件中，根据实际设计情况，建立设计模型，将模型简化后导入AUTOBANK计算软件中，进行材料属性定义、计算参数定义以及网格划分等前期建模工作，将模型建立完全后进行计算分析。

3 计算分析

3.1 计算工况

3.1.1 渗流稳定计算工况

堤身渗流稳定计算，主要是通过计算浸润线、平均水力坡降、堤后坡渗流出口比降，判别堤身的渗透稳定性。根据实际运用情况的需要，本次取设计洪水位工况进行渗流稳定分析，即在防洪设计流量情况下，定义堤前水位，计算分析防洪堤渗流稳定情况。

3.1.2 边坡稳定计算工况

采用瑞典圆弧法计算堤坡抗滑稳定安全系数，用计算得到的结果与规范允许值比较，以判别堤身边坡稳定性。本次取以下工况：正常运用条件及两种非常运用条件[2]。

正常运用条件：设计洪水位下的不稳定渗流期的背水侧堤坡。

非常运用条件：施工期的临水、背水堤坡；多年平均水位时遭遇地震的临水侧堤坡。

3.2 计算参数

防洪堤沿线地质条件为低液限粉土，堤身采用原土回填，即同样为低液限粉土。本次堤身及地基的相关计算参数如表1、表2所示。

表1 堤身计算参数取值

表2 堤基计算参数取值

3.3 边界条件

考虑水、土的压缩性，符合二向非均质各项异性土体渗流的达西定律，其基本方程如式(1)、式(2)所示：

土坝非稳定渗流基本方程：

(1)

当水、土不可压缩时，上式变为：

(2)

式中：h0为边界水头；n为边界外法线方向；z为浸润线几何坐标[3]。

4 结果分析

本文以库车城市防洪工程防洪堤作为工程实

例进行分析，防洪堤堤身采用均质土堤。迎水面设计边坡为1∶2.00，背水面边坡为1∶1.75。堤顶宽度为6.00 m，堤顶高程1066.43 m，设计水位高程1065.03 m，根据实际地勘参数，同时对堤身进行渗流稳定及边坡稳定分析。

4.1 渗流稳定结果分析

本次新疆库车防洪堤工程设计，对防洪堤设计洪水位工况的渗流稳定进行分析，计算出堤身最大比降，求得最大允许比降值为0.086，该值小于地质勘查提供的允许比降值0.150，因此，堤身渗流稳定满足要求，设计基本合理，程序将绘制出浸润线图，可观察堤身渗流路径[4]。堤身渗透稳定成果见表3，浸润线图见图1。

表3 堤坡渗透稳定计算成果

图1 浸润线图(单位：m)

4.2 抗滑稳定结果分析

本次新疆库车防洪堤工程设计，对防洪堤正常运用条件的一种工况及非常运用条件的两种工况进行了抗滑稳定分析计算，分别计算出三种情况下各自的抗滑稳定安全系数并与规范所规定的允许值比较，验证设计的合理性，同时，绘制出三种情况的滑弧面，直观观察抗滑稳定结果[5]。抗滑稳定安全系数成果见表4，危险滑弧面图见图2～图4。

表4 防洪工程堤坡抗滑稳定计算成果

图2 正常工况计算值滑弧图(单位：m)

图3 非常工况Ⅰ计算值滑弧图(单位：m)

图4 非常工况Ⅱ计算值滑弧图(单位：m)

5 结 语

本文应用AUTOBANK有限元分析程序，结合工程实例，便捷的模拟分析出设计的水工建筑物在实际工程场地中的渗流稳定情况以及边坡稳定情况，分析结果给出了设计所需要参考的力学数值及可视化计算结果，及时纠偏，通过计算结果与允许范围比较，给设计提供直观的重要的参考和指导，从而确定合理的设计方案，有效的提高了设计效率以及设计的安全性。