李 寧,劉建林,2,高雙強(qiáng),雒望余

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院,陜西 西安 710048;2.商洛學(xué)院,陜西 商洛 726000;3.西安市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院,陜西 西安 710054)

0 引 言

自20世紀(jì)60～70年代以來,我國(guó)陸續(xù)修建了眾多的小型水庫(kù),其中包括小(一)型和小(二)型水庫(kù),據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),至今我國(guó)約有81893座小型水庫(kù)[1],這些水庫(kù)自修建以來,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉、人畜飲水、防洪減災(zāi)、工業(yè)用水、發(fā)展養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)等方面發(fā)揮了重要的作用。然而由于種種原因,如水庫(kù)在建設(shè)過程中大多數(shù)為“三邊”工程、受當(dāng)時(shí)的施工技術(shù)條件的限制、長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷使用缺乏相應(yīng)的維修監(jiān)控等原因,導(dǎo)致這些水庫(kù)如今多少都出現(xiàn)了一些相應(yīng)的問題。同時(shí),在經(jīng)過了近50 a的使用以后,工程設(shè)施均出現(xiàn)了不同程度的老化與損壞,對(duì)其正常效益的發(fā)揮和工程的安全運(yùn)行帶來了潛在威脅,也給相應(yīng)的管理工作增加了困難,因此,對(duì)小型水庫(kù)的除險(xiǎn)加固工作就顯得十分必要。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì),西安市藍(lán)田縣現(xiàn)擁有小(一)型水庫(kù)3座,小(二)型水庫(kù)12座,本文結(jié)合在西安市藍(lán)田縣宋寨水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)中的工作,詳述Geo-Slope軟件在水庫(kù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析中的應(yīng)用。

1 Geo系列軟件功能特性

Geo-Studio是一套專業(yè)、高效而且功能強(qiáng)大的適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計(jì)算的仿真軟件。它包含邊坡穩(wěn)定性分析模塊Slope/W、巖土應(yīng)力應(yīng)變分析模塊Sigma/W、地下水滲流分析模塊Seep/W以及地震應(yīng)力應(yīng)變分析模塊Quake/W模塊等一系列的分析模塊。其中,Slope/W的計(jì)算原理采用極限平衡法,包括瑞典條分法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法等[2],本文在進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析時(shí)所采用的方法為Morgenstern-Price法[2,3]。

與其他有限元分析軟件如ANSYS相比,由于采用純二維平臺(tái),Geo-Studio在作穩(wěn)定性分析時(shí)速度更快,更加便捷,在收集相應(yīng)物理數(shù)據(jù)資料后,在短時(shí)間內(nèi)即可建立模型進(jìn)行分析,因此更加適用于小型水庫(kù)的分析計(jì)算,同時(shí)也節(jié)省人力資源,縮短計(jì)算周期。西安理工大學(xué)自購(gòu)入該軟件以來,已將其運(yùn)用于10余座水庫(kù)的大壩安全評(píng)價(jià)以及其他方面的工作中,取得了良好的效果。

2 Geo-Slope操作步驟

Geo-Studio的操作并不復(fù)雜,現(xiàn)將Geo-Slope軟件的操作步驟總結(jié)如下:

(1)建模。Geo-Studio軟件有兩種建模方法,一是在軟件內(nèi)直接建模,這種方法的缺點(diǎn)是對(duì)于模型的精度不好把握;另一種方法是導(dǎo)入式建模,在AutoCAD等軟件內(nèi)繪制二維模型并導(dǎo)入Geo-Studio內(nèi),設(shè)定相應(yīng)的縮放參考,最后完成相應(yīng)的建模工作。

(2)進(jìn)行Seep/W滲流分析計(jì)算。對(duì)于土石壩穩(wěn)定計(jì)算,滲流分析是穩(wěn)定分析的前提,穩(wěn)定分析過程需要滲流分析的部分計(jì)算成果,在進(jìn)行滲流分析后,軟件會(huì)自動(dòng)調(diào)用傳遞模型參數(shù)。本文著重介紹Slope/W穩(wěn)定分析計(jì)算,因此對(duì)滲流分析不做介紹。

(3)模型傳遞,進(jìn)行條件賦值。在Seep/W計(jì)算完畢后,跳轉(zhuǎn)至Slope/W計(jì)算平臺(tái),并根據(jù)土力試驗(yàn)所得到的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行賦值,賦值完畢后計(jì)算機(jī)即可根據(jù)選定的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

(4)輸出計(jì)算結(jié)果,并進(jìn)行相應(yīng)的分析。其中一個(gè)重要的參數(shù)是安全系數(shù),參考相應(yīng)的規(guī)范規(guī)定加以分析。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

宋寨水庫(kù)位于西安市藍(lán)田縣厚鎮(zhèn)鄉(xiāng)張嶺村,該水庫(kù)以灌溉農(nóng)田為主,是一座兼有漁業(yè)、防洪等綜合利用的小(二)型水庫(kù),水庫(kù)流域面積4 km2,大壩為均質(zhì)土壩,壩軸線呈南北方向,兩岸坡較陡,壩高21m,壩頂寬5m,長(zhǎng)123m,迎水坡平均坡比為1∶2.08,背水坡平均坡比為1∶1.75;大壩壩頂高程218.21 m,正常蓄水位215.76 m;水庫(kù)總庫(kù)容71.8×104m3,有效庫(kù)容50×104m3,宋寨水庫(kù)于1969年11月開工,1972年竣工。

3.2 計(jì)算前準(zhǔn)備

在進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算之前,需要準(zhǔn)備的內(nèi)容主要有:

(1)根據(jù)實(shí)地勘測(cè),獲得壩體剖面圖形,該剖面應(yīng)采用AutoCAD繪制。

(2)根據(jù)壩體土樣試驗(yàn),獲得必要的相關(guān)參數(shù),本工程的參數(shù)見表1。

(3)確定計(jì)算剖面,對(duì)于小型水庫(kù)的壩體,僅需采用最大壩高斷面進(jìn)行分析計(jì)算即可。

(4)確定計(jì)算工況,該工程僅考慮正常蓄水位下的壩體穩(wěn)定性,另外,對(duì)于地震時(shí)的情況,需要增加相應(yīng)的地震荷載進(jìn)行計(jì)算,并加以分析。

在這些需要準(zhǔn)備的內(nèi)容中,壩體剖面圖形越精確、壩體土樣參數(shù)越多,則得到的結(jié)果就越準(zhǔn)確。在實(shí)際應(yīng)用中,特別是對(duì)于小型水庫(kù)的除險(xiǎn)加固應(yīng)用中,部分參數(shù)可取經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行計(jì)算,以達(dá)到加快計(jì)算周期的目的。表1是宋寨水庫(kù)經(jīng)過壩體取樣試驗(yàn)所得到的參數(shù)值。

表1 宋寨水庫(kù)穩(wěn)定計(jì)算有關(guān)指標(biāo)

值得一提的是,對(duì)于均質(zhì)土壩,壩基材料、下游排水棱體材料、上游壩面覆蓋層材料均與壩體土材料有所不同,在大型工程的計(jì)算當(dāng)中,這些材料指標(biāo)的準(zhǔn)確性是不得忽視的。本工程由于時(shí)間因素以及工程規(guī)模的限制,部分材料參數(shù)選取了經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行計(jì)算。

3.3 穩(wěn)定性計(jì)算

土石壩的穩(wěn)定性計(jì)算需要考慮的代表性工況主要有以下三種:施工期、穩(wěn)定滲流期、水庫(kù)水位降落期[4]。水位降落期工況是指水庫(kù)自某一穩(wěn)定的運(yùn)行蓄水位快速降落至死水位、防汛水位或其他低水位過程中上游壩坡的穩(wěn)定;穩(wěn)定滲流期工況是指上游為正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位,下游分別為相應(yīng)水位時(shí)下游壩坡的穩(wěn)定[4,5]。宋寨水庫(kù)由于長(zhǎng)久失修,加之其所在河道流量亦不大,綜合多方面因素考慮,僅分析其穩(wěn)定滲流期工況下的穩(wěn)定性。

在準(zhǔn)備工作完成的基礎(chǔ)上,使用Geo-Slope軟件進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,下面對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行詳細(xì)說明。

(1)建模,從AutoCAD中導(dǎo)入壩體剖面二維圖形,以此為藍(lán)本進(jìn)行模型建立。建立完畢并且完成剖分過程的模型如圖1所示。

圖1 宋寨水庫(kù)計(jì)算模型

(2)在進(jìn)行Seep/W計(jì)算后,點(diǎn)擊左側(cè)Slope/W進(jìn)入Slope計(jì)算環(huán)境,系統(tǒng)將自動(dòng)傳遞模型至新環(huán)境下。

(3)根據(jù)表1中所給的參數(shù),對(duì)模型的材料進(jìn)行賦值,所賦的值有密度、內(nèi)摩擦角、粘聚力共三項(xiàng)。在此需要注意的是,對(duì)于壩體不同部位、不同材料分別進(jìn)行賦值,在建模的時(shí)候如果劃分的材料越細(xì)致則計(jì)算結(jié)果就會(huì)更加精確。

(4)首先對(duì)壩體上游面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算,選取滑動(dòng)圓心范圍(Draw Slip Surface Grid)、滑動(dòng)半徑范圍(Draw Slip Surface Radius)、確定傳遞參數(shù)來源(在AnalysisSetting內(nèi)的PWP頁(yè)簽中選擇Seep/W項(xiàng))、計(jì)算方法(對(duì)于多數(shù)工程,建議采用Morgenstern-Price法)、滑動(dòng)方向(Direction of movement)等選項(xiàng),確定后即可進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算的結(jié)果將直接顯示在窗口中,見圖2,圖中標(biāo)注了滑動(dòng)圓心、范圍以及安全系數(shù)等重要參數(shù),這些參數(shù)為后面的分析提供依據(jù)。

圖2 上游壩面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

(5)上面計(jì)算的是在正常工況下的穩(wěn)定性,返回模型參數(shù)輸入菜單,輸入相應(yīng)的地震荷載系數(shù)。本工程基本地震烈度為Ⅶ度,根據(jù)設(shè)防烈度Ⅶ度,計(jì)算用水平和豎直地震動(dòng)峰值加速度均取0.15g,在設(shè)定完畢后重新進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。最終的計(jì)算成果匯總見表2。

表2 大壩安全穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

我國(guó)于2000年發(fā)布了《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL258-2000),水庫(kù)大壩的安全評(píng)價(jià)工作,包括抗滑穩(wěn)定性分析均應(yīng)依照此規(guī)范進(jìn)行,本工程是土石壩,依照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)中的規(guī)定,不同工況下安全系數(shù)的規(guī)定如表3所示。

表3 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

根據(jù)表3可以得出如下結(jié)論:

(1)宋寨水庫(kù)上游壩坡在正常應(yīng)用條件下計(jì)算出的安全系數(shù)大于規(guī)范所規(guī)定的安全系數(shù),下游壩坡在正常應(yīng)用條件下計(jì)算出的安全系數(shù)小于規(guī)范所規(guī)定的安全系數(shù),因此僅上游壩坡能滿足穩(wěn)定要求。

(2)在添加地震荷載條件后,安全系數(shù)進(jìn)一步下降,K=1.09即在Ⅶ度地震烈度作用下安全系數(shù)突然下降到1.09,這符合地震作用對(duì)壩體安全系數(shù)影響的規(guī)律。上游壩坡、下游壩坡計(jì)算出的安全系數(shù)均小于規(guī)范所規(guī)定的安全系數(shù),因此上游壩坡、下游壩坡在地震情況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

經(jīng)過計(jì)算分析可以看出,該壩體僅上游壩坡在正常工況下可以滿足規(guī)范的穩(wěn)定性要求,其余情況均不符合規(guī)范要求。這基本符合小型水庫(kù)的現(xiàn)狀,由于長(zhǎng)時(shí)間沒有維護(hù)的情況下超負(fù)荷運(yùn)行,現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了不少問題,也是迫切需要治理的問題。

4 結(jié) 語

通過計(jì)算可以看出,該水庫(kù)大壩在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后,已經(jīng)出現(xiàn)了較為明顯的問題。在對(duì)藍(lán)田縣剩余6座小(二)型水庫(kù)的安全評(píng)價(jià)工作中,可以看到目前的小型水庫(kù),均存在類似的抗滑穩(wěn)定性不合格情況,特別是在遇地震的條件下,因此,需要對(duì)這一批小型水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理。

Geo-Slope軟件僅針對(duì)壩體本身的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,在計(jì)算過程中忽略了一部分外部條件,如降雨、其他地面滲流等對(duì)壩坡面穩(wěn)定性的影響,如果適當(dāng)考慮相應(yīng)的影響因素,計(jì)算結(jié)果將會(huì)更貼近實(shí)際情況。

以藍(lán)田縣宋寨水庫(kù)為例的整個(gè)計(jì)算過程中,可以看到,Geo-Slope軟件在處理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算的過程中,無論是計(jì)算速度或是精度均能達(dá)到較高的水平,這說明應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行輔助計(jì)算分析在小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作中是完全必要的,這也是現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)的一個(gè)有益補(bǔ)充。絕大多數(shù)小型水庫(kù),自建壩以來,都沒有做過滲流穩(wěn)定計(jì)算和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算,本次計(jì)算工作也正是填補(bǔ)了這一空白,為今后定期的安全鑒定提供了相應(yīng)的參考依據(jù)。

[1]賈永超.小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固問題探討[J].河南水利與南水北調(diào),2009,(4):49,54.

[2]鄭 濤,張玉燈,毛新生.基于Geo-Slope軟件的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2008,6(1):6-8,33.

[3]陳昌富,朱劍鋒,龔曉南.基于響應(yīng)面法和Morgenstern-Price法土坡可靠度計(jì)算方法[J].工程力學(xué),2008,25(10):166-172.

[4]祁慶和.水工建筑物[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1998.

[5]王成華.土力學(xué)原理[M].天津:天津大學(xué)出版社,2002.