土石壩安全鑒定管理論文

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1前言

土石壩二向穩(wěn)定及非穩(wěn)定滲流計算程序《DQB》，系由南京水利科學研究院水工所李祖貽、陳平等同志編制，用FORTRAN語言在TQ-16機及IBM-PC/XT機實現(xiàn)。該程序既可用于穩(wěn)定滲流分析，又可用于非穩(wěn)定滲流分析，并能適用于均質(zhì)、心墻、斜墻土壩不同排水型式的變化。程序采用自動剖分單元，數(shù)據(jù)準備工作量小，算題速度快，是土石壩分析的有效工具之一，經(jīng)1995年水電總局考核通過，列為在水電系統(tǒng)推廣應用的土石壩計算程序包十個程序之一。

土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序《STAB》是根據(jù)水利水電科學研究院陳祖煜同志所編M-16機土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序《STAB》中的簡化法。

編者應用以上二個程序于數(shù)座土石壩安全鑒定，均取得了滿意效果。

2程序的使用范圍及功能

《DQB》程序可用來計算土石壩上游壩殼水位降落期的非穩(wěn)定滲流和具有不同排水型式的均質(zhì)、心墻、斜墻土壩的穩(wěn)定滲流，以及任意過流斷面的滲流量。該程序具有自動部分功能，只要給出剖分信息、單元及結點信息即可由程序自動形成，并計算給出自由表面線（浸潤線）位置，全部結點水頭值、不同百分數(shù)的等勢線等計算成果。

《STAB》程序可以同時用瑞典法、畢肖普法和改良瑞典圓弧法（羅厄法或工程師兵團法）算出圓弧滑裂面的安全系數(shù)，并找出相應于畢肖普法的最小安全系數(shù)及相應的滑弧位置。該程序能用總慶力法或有效應力法計算施工期、穩(wěn)定滲流期、庫水位驟降期以及以上各期遇有地震時的邊坡穩(wěn)定分析，強度有單強度及組合強度，使用者對程序功能的通過功能控制變量的賦值來實現(xiàn)。

3計算原理

3.1《DQB》程序計算原理

3.1.1數(shù)學方法與邊界條件

土壩二向滲流問題在一定條件下，穩(wěn)定滲流是求解拉普拉斯議程，非穩(wěn)定滲流在土體可壓縮時求固結議程，在土體不可壓縮時求解拉普拉斯議程，同時自由面作滲流量補給邊界。對上述議程用有限單元作滲流場離散，引用三結點的三角形單元和線性插值函數(shù)，線性代數(shù)方程組改進平方根法求解。離散后所得的線性代數(shù)議程組為：

（1）

（1）式為可壓縮土體的非穩(wěn)定滲流有限單元計算公式。當式中矩陣[S]=0時，得不可壓縮土體的非穩(wěn)定滲流公式：

（2）

在不計時間項，且[S]、[P]矩陣等于零，得穩(wěn)定滲流有限單元計算公式：

（3）

在壩基無潛流時，其中[D]、項為零。

土壩滲流邊界條件是：上、下游水位以下的入流和出流面及自由滲出段，其水頭是已知的，屬第一類邊界；滲流自由面和不透水層面屬第二類邊界。穩(wěn)定滲流的自由面和不透水層面一樣，沒有流量從該面流入和流出；而非穩(wěn)定滲流則有流量從自由面流進壩體，此流量是取二連續(xù)自由面之間的一塊水體表示補給流量。此外自由面上尚應滿足其水頭等于位置高程的條件。

3.1.2滲流量的計算

滲流量是采用中線法計算的，可計算任意過流斷面的流量，滲流量計算公式為：

（4）

上式是具有方向性的，計算流量斷面是取劃分單元的初始坐標的方向，故計算時要規(guī)定其正向，然后相加得總滲流量。

3.1.3滲流自由面的確定

首先假定一滲流自由面位置。原則上依照滲流概念按“簡化法”計算浸潤線，同時對于不同排水設施的滲出段長度a，以及排水起點處的滲流水深h0作出粗估，盡量接近實際浸潤線位置，以減少浸潤線的修改迭代次數(shù)，節(jié)省機時，同時也可避免出錯。

然后計算機程序?qū)⒆杂擅娼Y點計算水頭值h*與其Z坐標比較，直到滿足|A-h*|＜ε（ε為給定的計算精度），此時則獲正確的理論自由面位置。

自由選代時，沿結點線上下調(diào)正移動，為此要求結點線上結點按順序從上到下由小到大編號。為避免假定的自由面位置過高，或自由面穿過非均質(zhì)區(qū)及非穩(wěn)定滲流自由面變化范圍時，使計算不能持續(xù)進行下去，程序采用丟結點（單元）的方法來處理，即自由面結點的計算水頭h*小于其下結點Z坐標時，將該結點丟棄，取其下結點為自由面結點繼續(xù)進行計算。

3.1.4滲出點的確定

自由面與壩坡的交點即滲出點，采用沿坡面滑動或二次曲線相交法求得，根據(jù)不同情況選用。滲出點一般是作為未知水頭結點處理，也可按已知水頭結點處理。調(diào)正滲出點的過程中可以由程序自動改變信息，反復試求得出滲出點的正確位置。

程序的關鍵在于合理地確定滲流場的計算范圍、邊界性質(zhì)及單元信息。

3.2《STAB》程序計算原理

3.2.1程序采用的強度指標

（1）不固結不排水（三軸儀）或不固結快剪（直剪儀）簡稱Q剪，相應指標Cuu，фuu；

（2）固結排水（三軸儀）或固結慢剪（直剪儀）簡稱S剪，相應指標C′cd、фcd；

（3）固結不排水（三軸儀）或固結快剪（直剪儀）簡稱R剪，相應指標Ccu、фcu；

（4）不固結不排水或固結不排水，測孔壓（三軸儀），簡稱；

（5）常用的現(xiàn)場強度試驗所獲得的強度指標為ф=0的C值，用qcu代表，成果與R剪指標等效，qcu值為現(xiàn)場被試驗地點（坐標（x，y）的函數(shù)，程序要求將qcu（x，y）按坐標網(wǎng)格輸入，然后自動進行內(nèi)插，確定滑弧面上各點的qcu值即C值。

3.2.2有效應力法

有效應力法的強度表達式為：

τ=C′+（σ-u）tanф′（5）

強度指標C′和ф′是根據(jù)、S、剪切試驗確定的，、S、試驗結果分別用于施工期、穩(wěn)定滲流期、庫水位降落期。

用有效應力法計算滑弧穩(wěn)定時，孔隙水壓力u值事先已求出，可按網(wǎng)格逐點輸入，程序自動內(nèi)插，確定滑弧面上各點的孔壓值。如果孔隙水壓在某一區(qū)域內(nèi)按靜壓分布，或浸潤線較平緩，可近似假定等勢線垂直，即孔壓按靜壓分布，則只需輸入浸潤線位置即可，這種情況一般用穩(wěn)定滲流期。

3.2.3總應力法

總應力法是將土樣在試驗室模擬壩體實際工況條件下測定其強度指標，把超孔隙水壓包涵在抗剪強度指標內(nèi)的一種方法。本程序的決慶力法能計算施工期及庫水位驟降期的壩坡穩(wěn)定分析，施工期除用Q剪指標外，計算時與有效應力法相同。

庫水位驟降時的總應力法有以下兩種：

（1）采用現(xiàn)場快剪強度指標qcu；

（2）采用R—S組合強度包線。

3.2.4程序中地震慣性力的計算

按《水工建筑物抗震設計規(guī)范》SDJ10-78第16條和第23條規(guī)定計算。

3.2.5程序圖形處理約定

土石壩斷面被看成是由一系列邊界線構成，土層不同界線及外邊坡均看作邊界線。程序規(guī)定任一鉛直線均不得同時碰到兩根浸潤線，但在滑弧可能達到的范圍內(nèi)必須碰到一根浸潤線；浸潤線邊界線都不允許是垂直線。當所計算的滑動邊坡外有水時，程序要求將水位線以下的外邊坡線作為浸潤線。

3.2.6滑動圓弧控制參數(shù)及布置方式

圓弧可計算一個或多個。計算多個圓弧時有兩種布置方式：一是圓弧始終通過上、下交點，半徑則按一定步長變化；二是以圓心及滑弧深度為中心，給予它們變化的步長后，程序?qū)⒆詣铀愠鏊薪M合情況下的安全系數(shù)。如果某圓弧不與壩坡相交，程序?qū)⒆詣幼R別，并打印出信息。

4應用

在1998年邵陽市病險水庫大壩安全鑒定工作中，編者成功地將《DQB》程序和《STAB》程序應用到邵東流光嶺水庫和大圳灌區(qū)東風水庫兩座中型大壩的安全鑒定中。由于以上二程序數(shù)據(jù)準備工作量小，計算速度快，節(jié)約了大量的時間，避免了手算的繁雜和不準確性，提高了計算成果的準確性和精確度。同時根據(jù)計算成果繪出的滲流流網(wǎng)圖（見圖1）和穩(wěn)定計算成果圖（見圖2），能夠很形象直接地表達出大壩滲流理論浸潤線位置及各百分數(shù)等勢線分布情況和滑動圓弧位置、滑弧深度及安全系數(shù)大小。在上述兩座水庫的安全鑒定會上得到了省水電廳大壩安全鑒定專家組成員的一致認可和通過