(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，湖北 武漢 430064；2.湖北省洪湖分蓄洪區(qū)工程管理局，湖北 荊州 433200)

1 工程概況

洪湖分蓄洪區(qū)是長江中下游整體防洪體系的重要組成部分，是處理城陵磯地區(qū)超額洪水，保障荊江大堤、武漢市防洪安全的一項重要工程設施，蓄洪區(qū)總面積877.49km2。補元退洪閘是洪湖分蓄洪工程中以退洪為主的大型泄水閘，閘址位于長江干堤402+500處，穿堤布置，閘室段采用開敞式平底板結構，共14孔，單孔寬10m。

補元閘施工跨汛期，鑒于破堤施工，圍堰作為長江干堤一部分擋水度汛，其導流洪水標準采用相應堤防設計洪水標準。圍堰總長約511.60m，全年設計洪水位按29.43m計，堰頂高程30.93m，最大堰高8.83m，堰頂寬6m；設計洪水位29.43m以下邊坡為1∶3，以上邊坡為1∶2.5；在迎水面27.00m高程處設置1.50m寬平臺。圍堰斷面尺寸見圖1。

圖1 圍堰斷面(尺寸單位：cm)

2 地質條件

圍堰位于長江干堤外側灘地，地形平緩。地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積堆積地層，具明顯的沉積韻律，呈二元結構，上部黏性土層厚15～20m，局部大于20m，下伏粉砂、細砂層。分布的地層主要有：①圍堰填土、②淤泥質土、③粉質黏土、④-1粉質壤土、④-2砂壤土、⑤粉砂。各土層物理力學指標見表1。

表1 圍堰基礎土層物理力學指標值

圍堰基礎坐落在淤泥質土層上，存在地基承載力低、抗剪強度低以及壓縮性高等問題，需要對淤泥質土進行置換處理。技施階段已將圍堰基礎范圍內淤泥質土全部挖除，圍堰基礎坐落在粉質黏土層上。

3 計算理論與方法

3.1 滲流計算

二維穩(wěn)定滲流的微分方程為

第一類邊界條件，即水頭邊界條件為

H|Γ1=f(x,y,z)

第二類邊界條件，即流量邊界條件為

第三類邊界條件，即自由面邊界條件為

穩(wěn)定滲流有限元計算式為

[K]{H}={F}

以上式中kx、ky——x、y方向的滲透系數(shù)；

H——飽和—非飽和水流總水頭；

[K]——滲透矩陣。

3.2 抗滑穩(wěn)定計算

抗滑穩(wěn)定分析采用簡化畢肖普法,計算時考慮堰頂汽-20的汽車荷載。

穩(wěn)定滲流期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算采用有效應力法，計算公式為

施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算采用總應力法，計算公式為

計算水位降落期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時，采用有效應力法計算用穩(wěn)定滲流期公式，水位取驟降后水位；采用總應力法計算公式為

式中W——土條重量,kN；

u——作用于土條底端的孔隙壓力,kN/m2；

α——條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角,(°)；

b——土條寬度,m；

W1——條塊在堤坡外水位以上部分的重量(浸潤線以上按濕重度、浸潤線以下按飽和重度計)；

W2——條塊在堤坡外水位以下部分的重量(按浮重度計)；

Z——堤坡外水位高出條塊底面中點的距離，m；

ui——水位降落前堤身的孔隙壓力，kN/m2；

γw——水的重度，kN/m3；

Cu、φu——快剪強度指標；

Ccu、φcu——固結快剪強度指標；

C′、φ′——慢剪強度指標。

4 計算過程及結果

4.1 計算工況

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286—2013)及圍堰的施工、運行條件，擬核算施工期的臨水和背水側堰坡、穩(wěn)定滲流期的背水側堰坡、水位降落期的臨水側堰坡三種工況的邊坡穩(wěn)定性。各計算工況及穩(wěn)定分析內容見表2。

表2 計算工況一覽

4.2 計算過程

4.2.1 導入CAD計算斷面

在CAD中，按照1∶1000的比例畫出計算斷面，然后啟動AutoBank軟件，點擊相關按鈕直接導入dwg格式斷面圖，并進行分區(qū)。

4.2.2 導入土層信息

在AutoBank軟件材料表中輸入各個土層的重度、黏聚力和內摩擦角等物理力學指標。

4.2.3 單位劃分

采用自動劃分三角形網(wǎng)格的方式，進行計算單元劃分。劃分單元前應檢查計算斷面中各個土層線的拐點位置，并進行適當調整，使土層線的形狀有利于單元網(wǎng)格劃分。

4.2.4 邊界條件輸入

在臨水側和背水側分別輸入水位邊界線和出逸邊界線。

4.2.5 滲流計算

施工期和穩(wěn)定滲流期求解穩(wěn)定滲流，水位降落期考慮時間因素求解非穩(wěn)定滲流。計算完成后進行滲流場后處理，查看浸潤線位置、出逸點、出逸比降以及滲流量等參數(shù)是否滿足要求。

4.2.6 穩(wěn)定計算

選定浸潤線、計算范圍，采用簡化畢肖普法依次對3種工況進行計算，得到最危險劃弧面及相應的安全系數(shù)，判斷計算結果的合理性，給出計算結論。

4.3 計算結果

根據(jù)以上所述計算參數(shù)、水位等計算條件，經(jīng)計算分析，各工況下圍堰邊坡的滲流穩(wěn)定均能滿足規(guī)范要求，圍堰邊坡是穩(wěn)定的，不會發(fā)生滲透穩(wěn)定破壞。計算結果見表3。

表3 圍堰基坑邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算結果

5 結 語

通過上述實例分析，AutoBank軟件可較好地模擬圍堰斷面，快速計算出滲流場及穩(wěn)定系數(shù)，為工程設計、方案優(yōu)化及施工進度安排提供可靠的計算依據(jù)。AutoBank軟件與AutoCAD軟件同界面使用，建模簡單，可視化強，避免了手算的繁雜和不準確性，為工程技術人員進行滲流穩(wěn)定計算帶來了極大的便利。