理正软件在土石坝设计中的应用研究

刘述伊,于光亮

(1.广东水利电力职业技术学院,广州 510925;2.北京理正软件股份有限公司,北京 100044)

1 应用背景

广东水利电力职业技术学院是国家“双高计划”建设单位,拥有显著行业特色的人才培养体系,着重培养学生的实践能力,以实现产教融合、育训结合的终极目标。水利工程学院人才培养方案中明确指出,土石坝渗流分析及稳定计算是水利水电建筑工程专业重点实训内容。为高质量完成实训,也为营造真实的企业工作氛围,打造理论与实践相结合的一体化课程体系,经过前期调研、专家论证以及公开招标,水利工程学院于2022年9月采购并安装理正软件,可配合完成多种实训项目。

理正软件是勘察设计行业广泛应用的软件,涵盖水工建筑物主要的结构计算,拥有界面简单、操作便捷且与水利行业规范紧密结合的特点[1],已经协助完成诸多土石坝安全分析计算,并获得良好效果[2-7]。文章结合土石坝除险加固设计,应用理正软件的最新版本,在学生实训过程中,发现并归纳存在的问题,详细地总结主要计算过程中几个重要步骤,最终通过软件计算获得安全稳定的结论。

2 应用研究

中国中小型土石坝众多,大多建于20世纪50—70年代,在管理不当和缺乏维护下运行数十年,很多土石坝都存在着不同程度的病险问题[8-9],因此除险加固势在必行。土石坝除险加固设计一般包含以下内容:坝体高度复核,护坡厚度复核,渗流分析,稳定计算,以及确定坝体存在的安全隐患和选择除险加固的方式和措施。

案例选自课程实训土石坝除险加固设计方案中渗流分析和稳定计算部分。某库区主要建筑物为均质土坝一条,已知土坝剖面的全部尺寸,包括现状坝顶高程,最大坝高,坝顶宽,以及上下游坝坡的分段坡比,下游设置排水体等(水文地质资料齐全,CAD图件中显示坝体尺寸和详细信息)。应用理正软件进行渗流分析及稳定计算需要用到的软件模块为渗流分析计算和边坡稳定分析。

2.1 土坝渗流分析

对土石坝进行除险加固的首要任务是在土石坝原有剖面的基础上,进行渗流分析,检验坝体安全性,并为坝坡稳定分析提供依据。计算内容包括坝体浸润线、渗流出逸点位置、渗流流量和各点渗透压力或渗透坡降,并绘制坝体及坝基内等势线分布图或流网图等。计算方法一般采用水力学法,依据是达西定律和连续方程。渗流分析的工况应能涵盖各种不利运行条件及其组合,一般需要计算的工况有:上游正常蓄水位与下游相应的最低水位,上游设计洪水位/校核洪水位与下游相应的水位,以及库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况[10]。

在理正渗流分析计算模块中,可根据需求新增案例(黏土心墙坝的渗透问题,水库水位下降情况,带有褥垫排水的情况,带有棱体排水的情况等)。若工程本身提供初始施工图,可简化土坝剖面图后使用软件模块中的辅助功能,通过读取CAD文件自动形成坡线、节点以及土层数据。

读取的CAD文件必须满足以下3个基本要求:

1)CAD中使用line命令以米为单位画出坡面线、土层线,并采用精确定位功能,确保线与线的连接点没有误差(即保证图形封闭)。

2)CAD中运行DXFOUT命令,文件保存为DXF格式。

3)按要求确认坡面线段数,并按顺序指定坡面线从开始到结束的节点号。

对CAD文件无法读取的数据内容进行调整,包括土层定义(若土石坝下游设置排水体,则要修正不同土性区域的渗透系数),面边界条件(一般应关注上下游水位以及可能的浸出面),点边界条件等。注意,以软件模块识别出的计算简图没有多余线条、与简化的土石坝剖面图完全一致为正确的标准。

理正软件中渗流分析得到的计算结果包含我们需要的全部计算内容。结果中包含显示浸润线(红色)以及等势线(彩色)未知格式的图件,命名并保存之后,文件夹中生出一个以lzsl(理正渗流)为后缀名的文件,该文件可以直接导入理正边坡稳定分析模块进行后续稳定计算。文字结果可直接作为计算依据,包括并不限于以下内容:①计算简图按比例缩小;②坡面信息包含左右两侧水面高度、坡面线段数、坡面线对应的水平投影和垂直投影;③土层信息包含坡面节点数附加节点数的编号及坐标、不同区域土石类型及渗透率;④面边界数据编号及边界类型(已知水头或可能的浸出点)、点边界数据编号及边界类型(已知水头);⑤流量计算截面点数编号及坐标、渗流量、浸润线坐标和渗透坡降。

2.2 土坝稳定计算

根据碾压式土石坝设计规范[11],土石坝设计条件应根据所处的工作状况、作用力出现的几率和持续时间的长短划分为“正常运用条件”、“非常运用条件Ⅰ”和“非常运用条件Ⅱ”。由于除险加固工程多为在使用工程,排除施工期,因此实训中进行稳定计算的工况简化为以下3种:①3种水位(正常蓄水位/设计洪水位/校核洪水位)稳定渗流条件下,下游坝坡的稳定计算;②2种水位(正常蓄水位/设计洪水位)遇地震情况下,下游坝坡的稳定计算;③库水位从校核洪水位按正常泄洪降至正常蓄水位、甚至降落至死水位的非稳定渗流条件下,上游坝坡的稳定计算。

对黏性土填筑的均质坝或非均质坝,一般认为发生圆弧滑动,因此瑞典圆弧法是目前土石坝设计中坝坡稳定分析的主要方法之一。该方法简单实用,能基本满足工程精度要求,特别在中小型土石坝设计中应用广泛。而瑞典圆弧法的主要缺点是没有考虑土条间的作用力,使得计算出的安全系数偏低。若在这种安全系数偏低的情况下,依然可以满足规范要求,那么说明坝体必然稳定。简化的毕肖普法可弥补瑞典圆弧法的缺点,同时也是土坝坝坡稳定分析中使用较多的方法。圆弧法计算需要选定圆弧的位置,即明确圆弧的圆心和半径,但很难寻找最危险的圆弧位置(对应最小安全系数),一般是在一定范围内搜索,经多次计算才能找到最小安全系数。确定搜索范围的方法有2种:B.B方捷耶夫法和费兰纽斯法。B.B方捷耶夫法认为最危险圆弧滑动面的圆心在一个扇形四边形范围内,扇形四边形由一点两线内径外径确定,其中一点为坝坡中点,两线为以坝坡中点做铅直线和85°线(与坝坡的夹角为85°),扇形以坝坡中点为圆心内径外径画弧获得,内径外径由坝坡坡比和坝高查表确定。费兰纽斯法认为最危险圆弧滑动面的圆心在两点的延长线上。实际应用中,可两种方法联合使用最终确定最危险圆弧滑动面圆心的范围,再进一步计算最终获得最小安全系数。

在理正软件中进行稳定计算,根据需求新增案例,直接选中系统默认案例,打开辅助功能,选择读入“理正渗流”(.lzsl文件)的坡线、地层数据、浸润线以及孔隙水压力等。读入文件后对其他内容进行补充,包括所采用的规范、稳定分析方法等基本条件,黏聚力和内摩擦角等土层信息,坡面信息以及考虑浸润线条件的水面信息等。先对上游进行稳定计算,获得计算结果后,可以通过软件辅助功能中镜像原始数据选项获得下游计算结果。理正软件中渗流分析得到的计算结果包含需要的全部计算内容,文字结果可直接作为计算依据,包括并不限于以下内容:①计算简图按比例缩小(带有浸润线);②控制参数包含选用规范、计算方法、滑动面形状(圆弧滑动或折线滑动)、是否考虑地震情况;③坡面信息包含左右两侧水面高度、坡面线段数、坡面线对应的水平投影和垂直投影;④土层信息包含坡面节点数附加节点数的编号及坐标、不同区域土石类型及渗透率(注添加黏聚力和内摩擦角);⑤水面信息包含采用总应力法或其他方法、是否考虑渗透力作用、是否考虑边坡外侧静水压力、水面线段数水面线号及起始点坐标;⑥计算条件包含圆弧稳定分析方法(瑞典条分法或简化的毕肖普法或其他)、土条重切向分力与滑动方向反向时(当滑动力对待或当抗滑力对待)、稳定计算方法(自动搜索最危险滑动圆弧或指定圆心范围搜索最危险滑动圆弧或给定圆心半径计算安全系数等);⑦计算结果包含计算结果图按比例缩小(带有浸润线、圆心位置和最危险滑动圆弧)、最危险滑动圆弧圆心坐标、半径长度、总的滑动力抗滑力计算过程和最小安全系数。最终获得的土石坝上游和下游最小安全系数,参照规范,安全系数符合要求即为合格。如若安全系数<规范要求,则视为不合格,则说明该工程存在安全隐患,需要进行加固处理。

3 存在的问题及解决办法

使用理正软件进行渗流分析及稳定计算可能遇到的问题有:

1)发现问题:未找到北京理正软件股份有限公司的授权加密锁(钥匙盘),软件变为学习版。

解决办法:未联网或节点已满,等待或重新连接。

2)发现问题:软件中使用辅助功能读取CAD文件失败。

解决办法:检查简化完成的CAD文件是否保存为DXF格式。

3)发现问题:软件中使用辅助功能可以读取CAD文件,但乱码。

解决办法:严格遵循读取CAD文件需要满足的3个基本要求。去掉CAD文件中多余的文字和数字,只保留闭合的图形线条即可。

4)发现问题:软件中使用辅助功能可以读取CAD文件,但计算简图有多余的线条。

解决办法:检查土层定义、边界条件等信息是否输入正确。

5)发现问题:寻找最危险圆弧滑动面和圆心时间过长,机器内存无法支持长时间运算,得不到答案。

解决办法:尝试将自动搜索调整为指定圆心范围搜索。

6)发现问题:应用软件辅助功能中镜像原始数据之后,无法获得正确的最危险圆弧滑动面。

解决办法:考虑渗流分析结果导入稳定计算时,坡面线段输入错误。

4 结 论

理正渗流分析计算和边坡稳定分析两个模块能够较好地分析并计算坝体实际渗流情况和稳定情况,符合理论要求,可为后续坝体的除险加固设计提供技术支撑。手动计算土石坝最危险圆弧滑动面和圆心,工作量大且极易出错,使用软件可有效简化计算,且结果可靠性高。在实训中可操作性强,适应数字化需要。广东水利水电职业技术学院坦桑尼亚境外办学项目中,水工建筑物作为核心课程已经开发完成,理正软件将作为课程资源将部分内容转化成英文,供留学生使用。