大红沟水库数值模拟计算分析大坝渗流稳定

姚富强

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原030024）

1 大坝概况

大红沟水库校核水位以下库容为478万m3，Ⅳ等的工程等别，建筑物的级别为4级，水库校核洪水位为1 086.91 m、设计洪水位为1 086.56 m、正常蓄水位为1 086.00 m、汛限水位为1 086.00 m、死水位为1 067.90 m。

1）坝顶构造

大坝长度为213 m，宽度为8 m，路面是沥青路面，坝顶临水侧设置钢筋混凝土防浪墙，宽度为0.35 m、高度为1.2 m，背水侧顺坝方向设置一道排水沟。

2）坝坡设计

大坝上游坝坡1∶3，没有设置马道，干砌石护坡。大坝下游边坡1∶2.5，坝坡高差间隔10 m设置一处马道，马道宽度为2.0 m。下游坝脚在高程1057.50 m以下设置排水棱体，排水棱体的上游边坡为1∶1，下游边坡为1∶2。

3）地质条件

坝基沟底地表为Q4pal低液限黏土层，下部为黏土含级配不良的砂或卵石混合的土层，总厚度约为4.6～6.5 m。坝基下部及两岸为Q2pl、N2低液限黏土层，其中，Q2pl低液限黏土层属于弱-微透水层，N2低液限黏土层属于微-极微透水层。本次设计将坝基Q4pal低液限黏土含级配不良的砂或卵石混合的土层全部清除。

2 软件简介

AutoBank可以直接导入CAD图形，划分好图形分区、设置好材料、给定边界条件就可进行渗流分析、稳定分析、固结分析、应力应变分析、结构计算，是一从事水利工程设计的专业软件，软件操作相对简单，能够极大的提高工作效率，深受一线工程设计人员的欢迎。

2.1 渗流分析

AutoBank采用有限元方法，求解二维的渗流场，可用于求解土石坝、堤防、水闸等建筑物的渗流场问题，包括稳定渗流和非稳定渗流场，能够显示浸润线，方便渗流场后处理及显示各种水力特性参数、数据和图形。

2.2 稳定分析

AutoBank可以进行正常运行期、水位降落期和施工期等工况的计算，提供的解法主要包括有瑞典法，毕肖普法，摩根斯顿法，可以考虑地震加速度作用，进行坝坡上下游的滑动面计算。

3 渗流稳定数值模拟计算分析

3.1 渗流分析

1）渗流计算方法

AutoBank渗流计算方法采用有限元法。计算断面以选择特征性强、有代表性的断面为原则，选用最大岸高39.8m处为计算断面。

2）土层渗透系数

表1 渗透系数表

各土层渗透系数详见表1。

3）渗流计算

计算步骤：建立模型→模型分区→设置材料表→划分网格→给定上游水位1 086.56 m→绘下游边界线→求解稳定渗流场，点击软件显示浸润线菜单得到渗流场，见图1，点击软件渗流场后处理菜单得出渗透比降，比降J=0.154，且单宽的渗流量q=0.36 m3/（d·m），渗透比降见图2。

图1 渗流场图

图2 渗透比降图

4）计算结果分析

由图1可知，浸润线进入大坝设置的排水棱体处，没有到达下游坝坡，坝坡没有冻涨破坏的危险，浸润线走向符合基本规律；等水头线从上游至下游依次减小，也符合规律；渗流量也在规范要求内。

由图2可知，坝体渗透比降从上游坡面至下游呈减小的趋势，坝体与坝基的出逸坡降为0.154。由地质提供的资料可知坝基土允许的水力比降［J］=0.51，由上述计算结果分析得出坝体渗透比降小于允许的比降，大坝没有渗透破坏的问题。

3.2 稳定分析

1）稳定计算方法

AutoBank稳定计算时采用的解法是毕肖普法，采用的是有效应力法进行计算。

2）稳定计算参数

稳定计算参数见表2。

表2 计算参数表

图3 滑弧位置图

3）稳定计算

计算步骤：搜索范围→标注坝基高程→任务列表→求解最危险滑面，得到上下游最危险滑弧位置，见图3，由图可知上游稳定系数K=3.01，下游稳定系数K=1.47。

4）计算结果分析

根据土石坝规范坝坡抗滑稳的定安全系数不小于1.25，上述计算结果显示坝体的上下游安全系数均比规范规定值大，表明大坝的抗滑稳定的没有问题，坝体是安全的。

4 结论

本文通过软件Autobank对大坝的渗流稳定进行了数值模拟计算分析，渗流的模拟：由上述分析结果可知坝体与坝基的出逸坡降及渗流量均小于允许值，浸润线符合一般规律，大坝没有渗透破坏的问题；抗滑稳定的模拟：上游坝坡的安全系数K=3.01，下游坝坡的安全系数K=1.47，均比规范值1.25要大，表明大坝没有抗滑稳定的问题。通过Autobank水工设计软件数值模拟计算，认为大坝的渗流稳定设计不存在问题，计算成果支撑了大坝的设计，保证了大坝今后的正常运行，类似工程可以借鉴。