Autobank软件在堤防渗透破坏分析中的应用

乔永梅，张嘉琦

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

渠道输送是灌溉用水的主要方式，而40%以上的灌溉水量损失是渠道输水损失，因此做好渠道防渗研究与技术创新对节约用水意义重大[1］，而防渗措施的采取以及治理后的效果恰恰是工程的要点，同时渠道的渗流计算和抗滑稳定是决定防渗措施的基础，因此，要想从根本上有效降低输水渗漏量，防止渠道的冲淤和坍塌，工程前期的渗流分析和抗滑稳定计算十分重要。

Autobank 利用有限元原理进行计算，作为水利行业普遍认可的软件已经广泛应用于堤防、水闸、箱涵、水库大坝等水工建筑物的渗流稳定相关计算，既能计算稳定渗流场，又可应用于水位骤降下的非稳定渗流场，为防渗工程，尤其是隐蔽工程提供了可靠的设计依据。

1 工程概况

某灌区总干渠半挖半填、填方渠道较多，冲刷、渗漏、塌方普遍，同时高填方堤段、堤基属弱透水～较强透水地层，渗漏严重，经过现场查勘，沿渠道普遍存在积水现象，未进行防渗衬砌处理的堤段，均存在一定程度的渗漏，造成下游坡土体湿润，部分渠段渗漏严重，沿坡可见成股明流。为解决渠道渗漏问题，进行渗流安全及边坡稳定计算。

2 设计参数的选取

（1）计算方法的选取

基于岩土工程分析的复杂性，Autobank 软件很大程度上减少了设计人员的工作量，但是对软件计算原理及计算程序的认识不深，往往会导致应用上的错误[2］。总应力和有效应力的选择以及参数设置完全由设计人员决定，有效应力法是一种有效强度参数与孔隙水结合的方法，能够更准确的获得最危险滑移面的位置；相反，总应力法在设置参数时候默认材料抗剪强度与孔隙水压力无关，即不考虑空隙水压力。

①稳定渗流期

稳定渗流期，此次堤防已经在长期浸泡作用下，形成饱和土体，必须考虑渗流对稳定的影响。当考虑渗流稳定作用时，通常认为土体自身已经在自重作用下完全固结或者超固结，滑动面上的孔隙水压力全部由渗流引起，属于有效应力分析。

②完建工况

完建工况下，孔隙水压力较难确定，可不计算和分析土体内孔隙水压力的变化和分布，按不排水剪或快剪测定的指标，采用总应力法计算。

（2）工况的选取

①边坡抗滑稳定最小安全系数

根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL 386-2007）并结合《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）；采用简化毕肖普法进行计算，对2级边坡，抗滑稳定允许最小安全系数为：

正常运用条件：设计水位工况，K ≥1.25，有效应力法；

非常运用条件I：完建工况，K ≥1.20，总应力法；

非常运用条件Ⅱ：水位骤降工况，K ≥1.10，有效应力法。

由于工程计算过程中，正常运用条件和非常运用条件I除少数断面需进行复核之外，其余断面均稳定，此次，仅就危害性最大的水位骤降工况进行分析。

②允许水力比降

粉质粘土、含碎石粉质粘土：0.45

泥质粉砂岩、砾岩：0.35

（2）地质参数的选取

根据钻探资料，工程厂区内覆盖层自上而下依次为人工填土（Q4s）、冲洪积（Q4alp）粉质粘土、碎石混合土、含碎石粉质粘土。各地层性质分述如下：

①1 素填土（Q4s）：灰黄色，可塑，以粘性土为主，含约10%碎石，层厚5.5 m。

②1 粉质粘土（Q4alp）：红褐色，可塑，含铁锰质结核，土质不均，局部夹粉土薄层，层厚2.7 m，层底高程48.24 m。③1 碎石混合土（Q4alp）：褐黄色，中密。碎石占50%，次棱角～亚圆形，粒径多为2 cm～3 cm，最大可达8 cm，另含50%中粗砾及粉质粘土，层厚7 m。

③3 含碎石粉质粘土（Q4alp）：杂色，碎石占40%，粒径1 cm～4 cm 为主，次棱角～亚圆形，该层未揭穿。

3 现状堤防渗流安全计算

目前渠道正常运行，设计灌溉流量160 m3／s，底宽21 m～30 m， 现状为梯形断面， 渠道设计水深：0+000～15+000 为5.6 m，15+000～41+000 为5.1 m。

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采用Autobank 进行堤防渗流计算时候应满足以下相关要求：

计算原则：①土堤渗流计算断面应具有代表性；②土堤渗流计算应满足相关规范要求。

计算内容：①计算在设计洪水位持续时间内浸润线位置，当在背水侧堤坡逸出时，应计算出逸出点位置、逸出段与背水侧堤基表面的出逸比降；②当堤身、堤基土渗透系数K ≥10-3cm／s 时，应计算渗漏量；③设计洪水位降落时临水侧身内自由水位[3］。

水力坡降和抗滑稳定系数作为控制条件，严格按照相关规范要求执行，单宽渗漏量的计算可用来与实测渗流量相比较的方式作为参考项。

由表2 断面渗流计算结果可以看出，未进行防渗处理的堤岸段均存在以下问题：

表2 计算成果表

1）断面桩号8+550、10+150、13+050、33+550 及39+540，堤岸下游出逸点偏高。

2）断面桩号2+243、10+410、15+180、33+550、37+000、37+520、37+995、39+540 堤岸渗漏量较大。

3）断面桩号2+243、2+790、10+150、10+140、31+050、33+550、37+000 及37+520 断面出逸比降较大，且超过允许比降。

4 水位骤降工况下的抗滑稳定计算

1）对于灌排两用渠道，尤其是南方大降水、大产流工程区，相比较于稳定渗流，水位骤降下的非稳定渗流更加险要，此次干渠洪水来量较大，且随来随走，此次综合考虑两种情况：①洪水完全下泄前，渠道土体已经完全浸泡，土体内已形成完整浸润线；②洪水完全下泄，历时12 h，土体内还未来得及形成完整浸润线。由以上两种情况可知，情况②更加安全，水位瞬间情况下，只有部分岸坡发生崩塌。安全起见，水位骤降情况下的渗流计算均按照情况①，即堤防土体已完全浸泡并与背水坡处已形成完整浸润线，在这种情况下，洪水完全下泄时间越短对下游村庄和农田危害越大，经现场调查和资料收集，12 h 下泄完成符合当地往年洪水情况。

非常运用条件Ⅱ：水位骤降（12 h 由最高滞水位骤降至渠道水位0.2 m）。

总干渠为灌排两用渠道，水位骤降使得堤防内水来不及排出，堤身处于饱和状态，土体容重增加，在渗流作用下，造成堤防迎水坡下滑力增大，抗滑力减小，失去稳定而产生滑坡；此外，水位骤降导致堤防内的自由面或浸润线滞后于水位降落，是堤防迎水坡最不稳定情况。

此次计算，以总干渠泄洪闸完全泄洪，发生30 年一遇设计洪水时，桩号0+000～15+000 各断面以最高滞水位5.1 m 为计算水位，桩号15+000～15+000 以最高滞水位5.6 m 为计算水位，均骤降至渠道水位0.2 m，一般退水时间均在12 h 左右，因此平均每天降落速度按11.2 m／d 计算。

表3 堤岸防渗各土层水位降落参数表

由上表计算结果可知，各土层k／ v 计算值均属于0.1＜k／ v ≤60 工况，即堤前水位为一般降落，需要进行上游堤岸水位降落稳定计算。

鉴于总干渠防渗段存在三种情况下的不稳定情况，水位骤降工况下，各选择一个典型断面进行计算，即：

①由于新旧土夹层导致的土壤结构不稳定引起的渗流，断面2+243；

②下游逸出点高程较高，断面10+150；

③渗流量较大，断面37+520。

按照12 h 将滞洪区水退完，水位下降时段及水位划分为5 段来考虑，采用Autobank7.7 系统软件对3 个典型断面进行抗滑稳定计算，计算结果见图1～图3。

图1 桩号2+243 断面水位降落抗滑稳定计算结果

图2 桩号10+410 断面水位降落抗滑稳定计算结果

图3 桩号37+520 断面水位降落抗滑稳定计算结果

由上图计算可知，水位骤降工况下，各断面边坡抗滑稳定计算值均大于规范最小允许值[1.10］，满足相关规范要求。

总干渠的渗漏有以下原因：

1） 填土的岩芯整体较为松散，可以看出修筑时压实程度不够，填土大体分为①1 填土和①2 填土两种，其中①1填土以粉质粘土为主，含有的碎石、卵石、砾石等未超过35%，①2 填土则含碎石、卵石、砾石等超过50%，颗粒组成与碎石混合土类似，根据注水试验，这两种填土的渗透性均属于中等透水，①2 填土由于颗粒大，孔隙较多，渗透性更强一些。①3 填土则与砂卵砾石的颗粒组成相同，漏水量均超过了注水能力，为强渗透性土层。综上，总干渠的填土隔水性总体较差，而填土的厚度又较大，多为6 m～8 m，大者可达13 m，因此在多个防渗段的背水坡均可见到小的渗流通道。

2）渠堤填土与老土接触不良，填土底部与老土的接触面中还残留有植物根系，说明当时在筑坝施工时，大堤基础没有清理，蓄水后原地表残留的植物根系，长期受水的浸泡，腐烂后形成孔隙，在高水头作用下，受渗透水压力的冲刷，土中的细颗粒不断随水流冲走，产生管状渗流通道，造成大堤背水坡多处漏水。

本次防渗处理主要解决：①边坡渗流量较大；②局部堤段出逸点较高；③部分断面水力坡降较大引起的透破坏，三方面的问题。

5 现状评估

（1）根据现场调查结合当地居民反馈，桩号2+243、8+550、10+410、15+180、33+550、37+000、37+520、37+995、39+540 存在出逸点偏高或渗漏量大的的情况。其中，桩号8+550、10+150、13+050、33+550 及39+540，堤段浸润线出逸点偏高，高于现状渠底高程0.77 m～4.74 m。

（2）根据水文地质及边坡渗流状态的现场查勘情况，桩号2+720～2+820 和13+000～13+100 有断层，地质情况复杂，渗流异常；桩号8+000～8+700 局部地面土层表面湿润，局部有水流逸出点；桩号4+800～5+100、10+000～10+500 及37+300～37+700 则是目前工程运行期中渗漏最明显的堤段。

（3）现场边坡完好，未见滑塌现象发生。

6 结论

由以上结论可知，采用Autobank 软件计算成果与现状基本吻合，因此，虽然Autobank 软件在实际设计中较长出现看似不合理的计算结果，比如深层滑弧的出现，究其原因，多数是建模或参数取用不合理导致。总之，在使用Autobank 软件时，应该充分考虑工况、边界条件，搜索范围、地下水位、地质参数的选取等问题，否则会引起较大工程误差。

-全文完-