远盛水工 土质边坡渗流、稳定分析系统用户手册

土质边坡渗流、稳定分析系统用户使用手册（V 1.0测试版）中国水利水电科学研究院长沙远盛科技有限公司2013-08一、功能概述本系统分为三部分：前处理、核心计算、后处理。

目标为：用户能应用该系统对土质边坡渗流、稳定分析项目进行建模，快捷地输入边坡参数、水位、材料信息、震级等各项计算参数；系统半自动、自动进行单元网格划分；系统进行土质边坡或土坝渗流计算，稳定分析；系统自动生成设计报告并批量生成设计成果图。

二、编制原理1编制依据（1）《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2002）（2）《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2007）（3）《堤防工程设计规范》（ GB 50286-98）（4）《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)（5）《碾压式土石坝设计规范》（DL/T 5395-2007）（6）《渗流计算原理及应用》顾慰慈编著中国建材工业出版社 2000.08（7）《渗流数值计算与程序应用》毛昶熙段祥宝主编河海大学出版社 1999.01（8）《土质边坡稳定分析--原理.方法.程序》陈祖煜著中国水利水电出版社 2003年2计算参数采用的单位该系统中如无特别说明，高程、几何尺寸的单位均为米；力的单位为kN；弯矩单位为kN·m；材料容重的单位为kN/m3；应力的单位为kN/m2。

3坐标系x轴以水平指向坝体下游为正；y轴以竖直向上为正；转角以x轴正方向为起点，逆时针为正。

进行应力、稳定分析时，取坝体纵向单位长度的坝段为计算单元进行分析。

4波浪爬高计算4.1年最大风速年最大风速系指水面上空10m高度处10min平均风速的年最大值；对于水面上空z（m）处的风速，应乘以表2.4-1中的修正系数K z后采用。

陆地测站的风速，应参照有关资料进行修正。

表2.4-1风速高度修正系数4.2风区长度（有效吹程）按下列情况确定：1）当沿风向两侧的水域较宽时，可采用计算点至对岸的直线距离；2）当沿风向有局部缩窄且缩窄处的宽度b小于12倍计算波长时，可采用5倍b为风区长度，同时不小于计算点至缩窄处的直线距离；3）当沿风向两侧的水域较狭窄或水域形状不规则、或有岛屿等障碍物时，可自计算点逆风向做主射线与水域边界相交，然后在主射线两侧每隔7.5°做一条射线，分别与水域边界相交。

如图2.4-1所示，记D 0为计算点沿主射线方向至对岸的距离，D i为计算点沿第i条射线至对岸的距离，αi为第i条射线与主射线的夹角，αi=7.5i(一般取i=±1、±2、±3、±4、±5、±6)，同时令α0=0,则等效风区长度D可按下式计算：（2.4-1）图2.4-1 等效风区长度计算示意4.3风区内的水域平均深度风区内的水域平均深度一般可通过沿风向作出地形剖面图求得，其计算水位应与相应设计状况下的静水位一致。

4.4波浪要素计算1．宜根据拟建水库的具体条件，按下述三种情况计算波浪要素：1）平原、滨海地区水库，宜按莆田试验站公式计算：（2.4-2）（2.4-3）式中：hm ——平均波高，m；Tm ——平均波周期，s；W ——计算风速，m/s；D ——风区长度，m；Hm ——水域平均水深，m；g ——重力加速度，9.81m/s 2。

2）丘陵、平原地区水库，宜按鹤地水库公式计算（适用于库水较深、W＜26.5m/s及D ＜7.5km）：（2.4-4）（2.4-5）式中：h2%——累积频率为2%的波高，m；L m——平均波长，m。

3）内陆峡谷水库，宜按官厅水库公式计算（适用于W＜20m/s及D ＜20km）：（2.4-6）（2.4-7）式中：h——当gD/W2=20～250时，为累积频率5%的波高h 5%；当gD/W2=250～1000时，为累积频率10%的波高h 10%。

2．累积频率为P（%）的波高h p与平均波高的关系可按表2.4-2进行换算。

表2.4-2累积频率为P（%）的波高与平均波高的比值3．有效波高hs可取累积频率为14%的波高h 14%。

4．风壅水面高度可按下式计算：（2.4-8）式中e ——计算点的风壅水面高度，m；K ——综合摩阻系数，可取K＝3.6×10-6；W ——设计风速，按计算波浪的风速确定；D ——风区长度，m；β——风向与垂直于堤轴线的法线的夹角，度。

5．设计波浪爬高值应根据工程等级确定，1级、2级和3级坝采用累积频率为1%的爬高值R 1%，4级和5级坝采用累积频率为5%的爬高值R5%。

6．正向来波在单坡上的平均波浪爬高可按式2.4-9、式2.4-10或有关规定计算：1）当m＝1.5～5.0时，可按下式计算：（2.4-9）式中：R m——平均波浪爬高，m；K△——斜坡的糙率及渗透性系数，根据护面类型按表2.4-3确定；K w——经验系数，根据表2.4-4确定；2）当m≤1.25时，可按下式计算：(2.4-10)式中R0--无风情况下，光滑不透水护面(K△＝1)、h m＝1m时的爬高值(m)，可按表2.4-5确定。

表2.4-3斜坡的糙率及渗透性系数K△护面类型K△光滑不透水护面(沥青混凝土) 1.0混凝土及混凝土板护面0.9草皮护面0.85～0.90砌石护面0.75～0.80抛填两层块石(不透水基础) 0.60～0.65抛填两层块石(透水基础) 0.50～0.55四脚空心方块(安放一层) 0.55四脚锥体(安放二层) 0.40扭工字块体(安放二层) 0.38表2.4-4 经验系数K VV/gd≤1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 ≥5 K V 1 1.02 1.08 1.16 1.22 1.25 1.28 1.30表2.4-5 R0值m＝ctga 0 0.5 1.0 1.25 R0 1.24 1.45 2.20 2.503）当1.25＜m＜1.5时，可由m＝1.5和m＝1.25的计算值按内插法确定。

7．带有平台的复合斜坡堤(图2.4-2)的波浪爬高，可先确定该断面的折算坡度系数me，再按坡度系数为me的单坡断面确定其爬高。

折算坡度系数me可按下列公式计算：1）当△m＝(m下-m上)＝0，即上下坡度一致时：(2.4-11)(2.4-12) 2）当△m＞0，即下坡缓于上坡时：(2.4-13)3）当△m＜0，即下坡陡于上坡时：(2.4-14)式中m上、m下——分别为平台以上、以下的斜坡坡率；d W——平台上的水深(m)，当平台在静水位以上时取正值；平台在静水位以下时取负值(图2.4-2)。

d W表示取绝对值；B--平台宽度(m)；L--波长(m)。

注：折算坡度法适用于m上＝1.0～4.0，m下＝1.5～3，d W/L＝-0.067～＋0.067，B/L≤0.25的条件。

图2.4-2带有平台的复合斜坡堤8．当来波波向线与堤轴线的法线成β角(度)时，波浪爬高应乘以系数Kβ，当堤坡坡率m≥1时，Kβ可按表2.4-6确定。

表2.4-6系数Kββ(度) ≤15 20 30 40 50 60 Kβ 1 0.96 0.92 0.87 0.82 0.76 9．对1、2级堤防或断面形状复杂的复式堤防的波浪爬高，宜通过模型试验验证。

10．如图2.4-3所示作用在坡度系数为1.5～5.0的坝坡护面板上的波浪压力，可按式2.4-15、式2.4-16计算：1）最大压力强度(2.4-15)(2.4-16)式中：Pz ——最大压力强度，kN/m2；K p——频率换算系数，取1.35；K2——系数，按表2.4-7确定；K3——浪压力相对强度系数，按表2.4-8确定；h s——有效波高，m。

图2.4-3坝坡护面板上的波浪压力表2.4-7系数K2表2.4-7 浪压力相对强度系数系数K32）最大压力强度作用点距水面的距离Zz(2.4-17)(2.4-18)(2.4-19)当计算Zz < 0时，取Zz＝０。

3）斜面上各计算点到点Z的距离(2.4-20)4）波浪作用区域的上限Zo等于设计累计频率下的波浪爬高Rp。

5渗流计算原理5.1渗流计算包括以下内容：1、确定坝体浸润线及其下游逸出点的位置，绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图；2、确定坝体与坝基的渗流量；3、确定坝坡出逸段与下游坝基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透比降；4、确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置或孔隙压力；5、确定坝肩的等势线、渗流量和渗透比降。

5.2渗流计算的水位组合：1、上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；2、上游设计洪水位与下游相应的水位；3、上游校核洪水位与下游相应的水位；4、库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。

5.3本计算程序根椐压力和渗流边界条件，利用达西定律计算二维渗流问题中的压力和流网，在这里稳定渗流的微分方程转变成有限元中的方程。

渗流控制方程表达为下式的二维微分方程式：∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂xKHx xKHy yKHx yKHyxx xy xy yy()()()()+++=0(2.5-1)其中K xx, K xy ,K yy为不同方向的渗透系数x、y为坐标方向H为势函数，定义为压力和水头之和H=Y+P/γw这个方程为稳定渗流，适用于非均质和各向异向介质，可简化为均质和各向同向渗流的情况；5.4分析过程中第一步是选择所研究问题的有限元离散方法：三角形或四边形单元。

由于是常应变单元，但采用三角形单元时，结点3与结点4重和。

图2.5-1 单元结点编码与面号6稳定计算原理6.1稳定计算程序依据规范《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)编写。

6.2土石坝设计条件土石坝设计条件根据所处的工作状况和作用力的性质分为：1、正常运用条件1）水库水位位于正常蓄水位和设计洪水位与死水位之间的各种水位的稳定渗流期；2）水库水位在上述范围内经常性的正常降落；3）抽水蓄能电站的水库水位的经常性变化和降落。

2、非常运用条件Ⅰ1）施工期；2）校核洪水位有可能形成稳定渗流的情况；3）水库水位的非常降落，如自校核洪水位降落、降落至死水位以下，以及大流量快速泄空等。

3、非常运用条件Ⅱ正常运行条件遇地震。

6.3土石坝稳定计算工况土石坝施工、建成、蓄水和库水位降落的各个时期不同荷载下，应分别计算其稳定性。

控制稳定的有施工期（包括竣工时）、稳定渗流期、水库水位降落期和正常运用遇地震四种工况，应计算的内容分别如下：1、施工期的上、下游坝坡；2、稳定渗流期的上、下游坝坡；3、水库水位降落期的上游坝坡；4、正常运用遇地震的上、下游坝坡。

6.4应力计算情况1、土石坝各种计算工况，土体的抗剪强度均应采用有效应力法按下式计算：2、粘性土施工期同时应采用总应力法按下式计算：3、粘性土库水位降落期期同时应采用总应力法按下式计算：6.5非线性应力计算情况粗粒料非线性材料的抗剪强度指标按下式计算：6.6孔隙压力1、粘性填土或坝基土中某点在施工期的起始孔隙压力uo按下式计算：2、稳定渗流期坝体和坝基中的孔隙水压力，根据流网确定。