基于AutoBANK的丁坞水库坝坡稳定性分析

刘永,马飞,张坤强,张风友

基于AutoBANK的丁坞水库坝坡稳定性分析

刘永1,马飞1,张坤强2*,张风友3

1. 德州市水利事业发展中心, 山东 德州 253014 2. 山东农业大学水利土木工程学院, 山东 泰安 271018 3. 青州市规划编制研究中心, 山东 青州 262500

水库坝坡的稳定直接关系到水库枢纽工程的安全性，本文以丁坞水库为工程实例，采用先进的有限元分析技术和全自动网格划分手段，利用AutoBANK对该水库坝坡稳定进行分析。这一技术手段为今后工程的模拟提供了一定思路。

水库;坝坡; 稳定性

1 工程概况

乐陵市位于鲁北平原，德州市东北部，全市总面1172 km2，辖9镇3乡4个办事处，现状人口69万人，耕地面积6.78万hm2。乐陵市当地水资源严重缺乏，根据可供水量和需水量分析计算，保证率50%时现状年、2020年、2030年分别缺水1764.21万m³、1289.98万m³、242.44万m³，缺水率分别6.77%、4.56%、0.84%，已经成为经济社会发展的“瓶颈”。因而，兴建平原水库，利用非农田灌溉期蓄水备用，解决水资源紧缺问题已是当务之急。

丁坞水库不仅是乐陵市城乡供水的骨干构架，也是乐北引黄调度的枢纽。水库位于乐陵市丁坞镇西部，马家沟以南，赵桥沟与蛤蟆刘沟之间，水库近似呈瓶子状，总库容901.5万m³，水库总占地面积130.38 hm2。建设后可有效发挥引黄效益，保证城乡居民用水安全。

2 坝坡稳定分析计算

2.1 计算程序

AutoBANK软件是针对我国的水利水电行业要求而设计的有限元计算法计算程序，利用图形化的界面，对水工建筑物的渗流、变形、应力、稳定等进行一体化计算，而且具有严密的计算过程。可进行位移、应力应变分析，并根据输出的位移、应力、变形等数据，得到主应力随空间和时间的变化规律，并自助生成任意点、任意断面的内力数值和力学参数分布图。

2.2 水库围坝设计断面

操作步骤：启动AutoBANK软件——工程里面的材料属性定义——绘制单元格，同时选择各单元的材料数据——添加模型边界条件，荷载——保存AutoCAD图形文件，形成数据文件——求解——最后查看各项计算结果。

围坝全长4.69 km，为碾压式均质坝。坝顶宽7.0 m，上、下游坝坡均为1:3，坝顶高程17.45 m，防浪墙顶高程18.05 m，坝高7.0 m，在上游坝脚处设混凝土防滑齿墙，深1.0 m，宽0.6 m。水库近似呈矩形，水库占地130.38 hm2。设计蓄水位为16.30 m，相应库容为901.5万m3，死水位7.95 m，死库容134万m3，库底高程6.15 m。调节库容767.5万m3。

库区原地面平均高程10.45 m，下挖4.3 m，向上筑7.0 m，挖出的土方部分用于筑坝，多余土方运出另做它用。坝址地形稍有起伏，地面高程变化不大，根据坝址地质剖面图，选用标准断面作计算断面。坝基为砂壤土和壤土，下部以砂壤土为主，计算中，对坝基各土层计算指标进行综合选取。

2.3 稳定计算

按施工期，稳定渗流期，水库水位降落期三种工况，有防渗塑膜计算。稳定渗流期，上游水位16.04 m进行上游坝坡稳定计算；施工期，围坝刚建成，水库未蓄水时进行上、下游坝坡稳定计算；水位骤降期，库水位由正常蓄水位16.04骤降到死水位7.95 m，计算上游坝坡稳定。计算条件见表1。

表 1 坝坡稳定分析表

坝坡稳定计算采用瑞典法、毕肖普法，利用AutoBANK边坡稳定分析程序进行计算，其中各种计算工况抗剪强度指标的设计采用值及饱和容重、粘聚力、内摩擦角等参数参照《工程地质、水文地质勘察报告》。

式中：—滑弧半径；∑—某一土条的总高度；—土条底面中点处切线与水平线的夹角；—坝坡外水位高出土条底面中点的距离；o—水容重；U—在条块底面中点处的孔隙水压力值；、—土的强度指标(根据所采用的计算方法确定)；∑W(∑W)—计算抗滑力时单位宽度土条的重量。

边坡稳定采用的条件按表1选定。土的抗剪强度指标的测定和应用见表2，物理力学指标按地址勘探提供的土工试验成果建议值选取，坝体及坝基指标见表3。

表 2 土的抗剪强度指标的测定和应用

表 3 坝体及坝基指标

2.4 结果分析

分别取丁坞水库东、西、南、北四个方向的断面作为计算标准断面。计算成果如下：

东坝段标准断面计算成果如图1所示：施工期，有效应力法，无渗流，瑞典法，0 g，2.27538(左)，2.25542(右)。

正常运行期，有效应力法，(水位线)设计水位，瑞典法，0 g，3.89826(左)，2.05903(右)。

水位降落期，有效应力法，(水位线)设计水位～(水位线)施工期水位线，瑞典法，0 g，2.1853(左)，2.25063(右)。

图 1 东坝段标准断面计算成果图

西坝段标准断面计算成果如图2所示：

图 2 西坝段标准断面计算成果图

施工期，有效应力法，无渗流，瑞典法，0 g，2.07116(左)，2.07047(右)。

正常运行期，有效应力法，(水位线)设计水位，瑞典法，0 g，3.6387(左)，2.47564(右)。

水位降落期，有效应力法，(水位线)设计水位～(水位线)施工期水位线，瑞典法，0 g，2.25485(左)，2.40549(右)。

北坝段标准断面计算成果图如图3所示：

图 3 北坝段标准断面计算成果图

施工期，有效应力法，无渗流，瑞典法，0 g，2.13311(左)，2.11629(右)。

正常运行期，有效应力法，(水位线)设计水位，瑞典法，0 g，3.5203(左)，2.26911(右)。

水位降落期，有效应力法，(水位线)设计水位～(水位线)施工期水位线，瑞典法，0 g，2.09153(左)，2.20267(右)。

南坝段标准断面计算成果如图4所示：

图 4 南坝段标准断面计算成果图

施工期，有效应力法，无渗流，瑞典法，0 g，1.97283(左)，1.95418(右)。

正常运行期，有效应力法，(水位线)设计水位，瑞典法，0 g，3.62228(左)，2.27189(右)。

水位降落期，有效应力法，(水位线)设计水位～(水位线)施工期水位线，瑞典法，0 g，2.13805(左)，2.23177(右)。

库区坝坡稳定计算成果见表4。

表 4 库区坝坡稳定计算成果表

渗流稳定期所得安全稳定系数为无考虑边坡外侧静水压力的结果。完建期和渗流稳定期采用的计算方法均为有效应力法。由以上计算结果可以看出，迎水坡、背水坡坝坡在正常运行和非常运行工况下计算的抗滑稳定系数均大于《碾压式土石坝设计规范》正常运行和非常运行允许抗滑稳定系数，满足规范要求。

3 结 语

通过以上分析可以看出：相比以往的传统计算方法，AutoBANK有限元分析软件能较好地模拟坝坡断面，且结果更具可靠性，能较准确反映实际工程情况。计算结果详细精确，可为大坝的设计提供可靠的依据，并可输出精确直观的图形文件成果。软件与AutoCAD相配合使用，还能使计算操作更加便捷。采用有限元进行分析不仅提高了水利水电工程技术人员关于大坝稳定计算的效率和质量，而且能够为设计提供详实的基础数据，为今后的工程模拟提供了一定思路。

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Analysis on the Stability of Dingwu Reservoir Dam Slope Based on AutoBANK

LIU Yong1, MA Fei1, ZHANG Kun-qiang2*, ZHANG Feng-you3

1.253014,2.271018,3.262500,

The stability of the dam slope is directly related to the safety of the reservoir pivot project. This paper takes Dingwu Reservoir as an engineering example, adopts advanced finite element analysis technology and automatic grid division method, and uses AutoBANK to analyze the dam slope stability of the reservoir. This technical means provides some ideas for future engineering simulation.

Reservoir; dam slope; stability

TV62

B

1000-2324(2022)01-0145-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.01.022

2021-08-02

2021-09-23

山东省自然基金(ZR2018PEE027)

刘永(1986-),女,高级工程师,研究方向:水利工程管理. E-mail:261179971@qq.com

Author for corrspondence. E-mail:zkq0129@163.com