AutoBank软件在土石坝除险加固工程计算中的应用

摘要：AutoBank是一款功能强大，可对土坝、堤防、涵洞、水闸等水工建筑物进行详细的分析计算的软件。AutoBank软件可直接应用于Autocad图形，全部图形化界面，界面简洁，操作方便，软件运行稳定，结果可靠，应用该软件可以有效的提高工作效率。本文主要介绍了该软件的原理和计算方式，并通过实例介绍了AutoBank软件在土石坝除险加固工程计算中的应用。

关键词：水利、土石坝计算、AutoBank

中图分类号：TV文献标识码： A

土石坝是指由土、石等当地材料填筑而成的坝，是历史最悠久的一种坝型。据统计，

我国兴建的各类型的坝中有95%以上为土石坝，其中大多数修建于上世纪七八十年代，这些土石坝经过长时间的运行加上受限于当时的技术和施工方法，绝大多数成了病险坝。而造成这些病险库的主要原因是由于土石坝渗流稳定不安全造成的，因此对土石坝进行准确的渗流稳定计算对是土石坝除险加固计算的主要计算问题。

AutoBank软件是由河海大学工程力学系（工程力学研究所）研制，内部采用有限元技术，可对土坝、堤防、涵洞、水闸等水工建筑物进行详细的分析计算[1-3]。该软件针对我国水利行业的要求而设计，具有明显行业特点，可以直接应用AutoCAD图形，全部图形化界面，操作简便，最大限度地提高工作效率；渗流、稳定、变形、应力、计算一体化，各计算阶段无缝结合，软件运行稳定，输出结果全面[4-5]，本文主要介绍利用AutoBank软件计算土石坝的渗流安全计算。

AutoBank主要功能包括：土石坝稳定渗流计算（等势线、浸润线、水力坡降、任意点的流场数据等），位移、应力应变分析，施工顺序模拟（分期加载/卸载、开挖/填筑过程）等[6]。

1 AutoBank计算原理

AutoBank软件计算采用有限元法，有限元法是把连续体或研究区域离散化为有限个单元体的集合体来研究的,一般以渗压水头的分布为研究对象时，作为二向渗流问题考虑[8]。其理论模型根据达西定律和连续条件，公式如下：

可得二维渗流工程

式中：，分别为x向和y向的渗流流速，、分别为x向和y向的渗流系数，计算时，对于同一种土质通常假设，不随坐标而变化；H为渗流场中某一点的渗压水头[8]。

2运行流程

应用AutoBank软件需要的基础资料包括土石坝剖面、材料参数及边界条件等，其运行流程见图1

图1AutoBank软件运行流程

3实例分析

通过某小型土石坝为例，研究AutoBank软件土石坝的渗流计算。该水库修建于上世纪七十年代，经安全鉴定该水库属于三类坝，在坝体方面存在渗流形态不安全问题。上游正常水位为1727.77m，坝基高程为1707.5m，坝体长度为45m。根据地质专业提供资料，土坝砌筑材料为第四系覆盖层粘土，坝体填筑粘土渗透系数为3.0×10-4cm/s，强风化层地基渗透系数为2×10-3cm/s，弱风化地基渗透系数：2×10-5cm/s，排水棱体渗透系数：4.5×10-2cm/s，土工膜渗透系数：1×10-9cm/s。

本次主要介绍该土石坝坝体分别在除险加固前后利用AutoBank软件计算正常蓄水位情况下+下游无水的情况下所形成的稳定渗流。渗流计算的目的是确定坝体浸润线，并供坝体稳定计算之用。坝体渗流的基本参数是坝体剖面结构。除险加固前的坝体基本断面如图1所示：

图2大坝基本结构断面图

经采用AutoBank6.0软件计算，正常蓄水位+下游无水工况下坝体单宽渗流量为2.87×10-5m3/s，浸润线图如图3所示：

图3正常蓄水位+下游无水工况下浸润线图

渗透稳定分析

⑴稳定渗流期坝体浸润线计算结果说明：

库水位为1727.77m（正常蓄水位）时的坝体稳定渗流，坝体单宽渗流量为2.87×10-5m3/s，按坝体长度45m计算（按最大断面折算），坝体总渗流量为112m3/d，即约1.29L/s。

土体允许渗透比降计算公式：

【J】＝Jcr/K=（Gs-1）（1-n）/K

式中：【J】―土体允许渗透比降；

Gs―比重；

n―孔隙率；

K―安全系数；

本工程Gs=2.65，n=0.55，K=2.0。

经计算，坝体允许渗透比降【J】＝0.371，浸润线溢出点最大逸出水力坡降Jmax=0.69， Jmax>【J】＝0.371，且浸润线下游逸出点位于下游平台上，因此坝体渗流性态不安全[9]。

坝体除险加固采取对上游坝坡采用土工膜+坝基、坝肩帷幕灌浆处理，下游坡脚采取贴坡排水处理。大坝除险加固后安全复核工作采用覆盖复合土工膜后的结构断面作为渗流复核的计算断面，坝基有防渗帷幕灌浆设计，故不考虑坝基渗透影响，计算结构见图4

图4整治后的坝体稳定计算结构简图

正常蓄水位1727.77m+下游无水工况下，坝体单宽渗流量为5.88×10-6m3/s，坝体长按45m计算，坝体总渗流量为22.86m3/d，即0.26L/s。浸润线最大逸出水力坡降Jmax=0.25，Jmax≤【J】＝0.37，因坝体渗流性态安全。

图5除险加固后正常蓄水位＋下游无水工况坝体浸润线图

4结语

从以上计算实例可以看出，AutoBank内部采用有限元技术和先进计算算法，可以较好的分析计算土石坝渗流稳定计算，为设计提供准确的计算结果，从而确定合理的设计方案，极大的减轻了设计人员的工作量，为设计工作带来了较大的便利。同时，AutoBank软件除了在土石坝渗流稳定方面具有广泛应用外，在堤防、涵洞、水闸等水工建筑物计算方面也有广泛的应用，应用该软件可以有效的提高工作效率。

目前AutoBank软件在国内已得到比较广泛的应用，该软件针对我国水利行业的要求而设计，相比国外一些操作软件来讲，更贴近我国实际情况，符合我国行业规范要求。

参考文献：

[1]李曙光. AutoBank在蒙洼蓄洪区堤防加固工程中的应用 [J]. 现代农业科技. 2009, 19:

[2]徐蕴. 基于AutoBank的还乡河治理工程堤防渗流稳定分析[J]. 水科学与工程技术. 2011, 6:

[3]高振兴. 基于强度折减法的尾矿坝稳定性数值分析[J]. 西安建筑科技大学.2011:

[4]孔令学. 三款软件在深覆盖层上心墙坝渗流分析中的应用[J]. 水科学与工程技术.2009.2:

[5]许印登. 河海大学水工计算软件在郝椤峪水库除险加固中的应用[J]. 河北水利.2012.6:

[6]河海大学工程力学研究所. 水工结构有限元分析系统操作指南:

[7]钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算[M].北京：中国水利水电出版社.1996重印.155-163:

[8]林继镛.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社.2009.220-221:

[9]SL274-2001碾压式土石坝设计规范[S] :