水利工程論文-論DQB程序和STAB程序在土石壩安全鑒定中的應(yīng)用摘要：土石壩二向穩(wěn)定及非穩(wěn)定滲流計(jì)算程序DQB，系由南京水利科學(xué)研究院水工所李祖貽、陳平等同志編制，用FORTRAN語(yǔ)言在TQ-16機(jī)及IBM-PC/XT機(jī)實(shí)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(dòng)剖分單元，數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(guò)，列為在水電系統(tǒng)推廣應(yīng)用的土石壩計(jì)算程序包十個(gè)程序之一。關(guān)鍵詞：DQB程序STAB程序土石壩安全鑒定1前言土石壩二向穩(wěn)定及非穩(wěn)定滲流計(jì)算程序DQB，系由南京水利科學(xué)研究院水工所李祖貽、陳平等同志編制，用FORTRAN語(yǔ)言在TQ-16機(jī)及IBM-PC/XT機(jī)實(shí)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(dòng)剖分單元，數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(guò)，列為在水電系統(tǒng)推廣應(yīng)用的土石壩計(jì)算程序包十個(gè)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(xué)研究院陳祖煜同志所編M-16機(jī)土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序STAB中的簡(jiǎn)化法。編者應(yīng)用以上二個(gè)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(lái)計(jì)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(guò)流斷面的滲流量。該程序具有自動(dòng)部分功能，只要給出剖分信息、單元及結(jié)點(diǎn)信息即可由程序自動(dòng)形成，并計(jì)算給出自由表面線（浸潤(rùn)線）位置，全部結(jié)點(diǎn)水頭值、不同百分?jǐn)?shù)的等勢(shì)線等計(jì)算成果。STAB程序可以同時(shí)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(tuán)法）算出圓弧滑裂面的安全系數(shù)，并找出相應(yīng)于畢肖普法的最小安全系數(shù)及相應(yīng)的滑弧位置。該程序能用總慶力法或有效應(yīng)力法計(jì)算施工期、穩(wěn)定滲流期、庫(kù)水位驟降期以及以上各期遇有地震時(shí)的邊坡穩(wěn)定分析，強(qiáng)度有單強(qiáng)度及組合強(qiáng)度，使用者對(duì)程序功能的通過(guò)功能控制變量的賦值來(lái)實(shí)現(xiàn)。3計(jì)算原理3.1DQB程序計(jì)算原理3.1.1數(shù)學(xué)方法與邊界條件土壩二向滲流問(wèn)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(shí)求固結(jié)議程，在土體不可壓縮時(shí)求解拉普拉斯議程，同時(shí)自由面作滲流量補(bǔ)給邊界。對(duì)上述議程用有限單元作滲流場(chǎng)離散，引用三結(jié)點(diǎn)的三角形單元和線性插值函數(shù)，線性代數(shù)方程組改進(jìn)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(jì)算公式。當(dāng)式中矩陣S=0時(shí)，得不可壓縮土體的非穩(wěn)定滲流公式：（2）在不計(jì)時(shí)間項(xiàng)，且S、P矩陣等于零，得穩(wěn)定滲流有限單元計(jì)算公式：（3）在壩基無(wú)潛流時(shí)，其中D、項(xiàng)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(jìn)壩體，此流量是取二連續(xù)自由面之間的一塊水體表示補(bǔ)給流量。此外自由面上尚應(yīng)滿足其水頭等于位置高程的條件。3.1.2滲流量的計(jì)算滲流量是采用中線法計(jì)算的，可計(jì)算任意過(guò)流斷面的流量，滲流量計(jì)算公式為：（4）上式是具有方向性的，計(jì)算流量斷面是取劃分單元的初始坐標(biāo)的方向，故計(jì)算時(shí)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(jiǎn)化法”計(jì)算浸潤(rùn)線，同時(shí)對(duì)于不同排水設(shè)施的滲出段長(zhǎng)度a，以及排水起點(diǎn)處的滲流水深h0作出粗估，盡量接近實(shí)際浸潤(rùn)線位置，以減少浸潤(rùn)線的修改迭代次數(shù)，節(jié)省機(jī)時(shí)，同時(shí)也可避免出錯(cuò)。然后計(jì)算機(jī)程序?qū)⒆杂擅娼Y(jié)點(diǎn)計(jì)算水頭值h*與其Z坐標(biāo)比較，直到滿足|A-h*|（為給定的計(jì)算精度），此時(shí)則獲正確的理論自由面位置。自由選代時(shí)，沿結(jié)點(diǎn)線上下調(diào)正移動(dòng)，為此要求結(jié)點(diǎn)線上結(jié)點(diǎn)按順序從上到下由小到大編號(hào)。為避免假定的自由面位置過(guò)高，或自由面穿過(guò)非均質(zhì)區(qū)及非穩(wěn)定滲流自由面變化范圍時(shí)，使計(jì)算不能持續(xù)進(jìn)行下去，程序采用丟結(jié)點(diǎn)（單元）的方法來(lái)處理，即自由面結(jié)點(diǎn)的計(jì)算水頭h*小于其下結(jié)點(diǎn)Z坐標(biāo)時(shí)，將該結(jié)點(diǎn)丟棄，取其下結(jié)點(diǎn)為自由面結(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算。3.1.4滲出點(diǎn)的確定自由面與壩坡的交點(diǎn)即滲出點(diǎn)，采用沿坡面滑動(dòng)或二次曲線相交法求得，根據(jù)不同情況選用。滲出點(diǎn)一般是作為未知水頭結(jié)點(diǎn)處理，也可按已知水頭結(jié)點(diǎn)處理。調(diào)正滲出點(diǎn)的過(guò)程中可以由程序自動(dòng)改變信息，反復(fù)試求得出滲出點(diǎn)的正確位置。程序的關(guān)鍵在于合理地確定滲流場(chǎng)的計(jì)算范圍、邊界性質(zhì)及單元信息。3.2STAB程序計(jì)算原理3.2.1程序采用的強(qiáng)度指標(biāo)（1）不固結(jié)不排水（三軸儀）或不固結(jié)快剪（直剪儀）簡(jiǎn)稱Q剪，相應(yīng)指標(biāo)Cuu，uu；（2）固結(jié)排水（三軸儀）或固結(jié)慢剪（直剪儀）簡(jiǎn)稱S剪，相應(yīng)指標(biāo)Ccd、cd；（3）固結(jié)不排水（三軸儀）或固結(jié)快剪（直剪儀）簡(jiǎn)稱R剪，相應(yīng)指標(biāo)Ccu、cu；（4）不固結(jié)不排水或固結(jié)不排水，測(cè)孔壓（三軸儀），簡(jiǎn)稱；（5）常用的現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度試驗(yàn)所獲得的強(qiáng)度指標(biāo)為=0的C值，用qcu代表，成果與R剪指標(biāo)等效，qcu值為現(xiàn)場(chǎng)被試驗(yàn)地點(diǎn)（坐標(biāo)（x，y）的函數(shù)，程序要求將qcu（x，y）按坐標(biāo)網(wǎng)格輸入，然后自動(dòng)進(jìn)行內(nèi)插，確定滑弧面上各點(diǎn)的qcu值即C值。3.2.2有效應(yīng)力法有效應(yīng)力法的強(qiáng)度表達(dá)式為：=C+（-u）tan（5）強(qiáng)度指標(biāo)C和是根據(jù)、S、剪切試驗(yàn)確定的，、S、試驗(yàn)結(jié)果分別用于施工期、穩(wěn)定滲流期、庫(kù)水位降落期。用有效應(yīng)力法計(jì)算滑弧穩(wěn)定時(shí)，孔隙水壓力u值事先已求出，可按網(wǎng)格逐點(diǎn)輸入，程序自動(dòng)內(nèi)插，確定滑弧面上各點(diǎn)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(rùn)線較平緩，可近似假定等勢(shì)線垂直，即孔壓按靜壓分布，則只需輸入浸潤(rùn)線位置即可，這種情況一般用穩(wěn)定滲流期。3.2.3總應(yīng)力法總應(yīng)力法是將土樣在試驗(yàn)室模擬壩體實(shí)際工況條件下測(cè)定其強(qiáng)度指標(biāo)，把超孔隙水壓包涵在抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)的一種方法。本程序的決慶力法能計(jì)算施工期及庫(kù)水位驟降期的壩坡穩(wěn)定分析，施工期除用Q剪指標(biāo)外，計(jì)算時(shí)與有效應(yīng)力法相同。庫(kù)水位驟降時(shí)的總應(yīng)力法有以下兩種：（1）采用現(xiàn)場(chǎng)快剪強(qiáng)度指標(biāo)qcu；（2）采用RS組合強(qiáng)度包線。3.2.4程序中地震慣性力的計(jì)算按水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范SDJ10-78第16條和第23條規(guī)定計(jì)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(gòu)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(shí)碰到兩根浸潤(rùn)線，但在滑弧可能達(dá)到的范圍內(nèi)必須碰到一根浸潤(rùn)線；浸潤(rùn)線邊界線都不允許是垂直線。當(dāng)所計(jì)算的滑動(dòng)邊坡外有水時(shí)，程序要求將水位線以下的外邊坡線作為浸潤(rùn)線。3.2.6滑動(dòng)圓弧控制參數(shù)及布置方式圓弧可計(jì)算一個(gè)或多個(gè)。計(jì)算多個(gè)圓弧時(shí)有兩種布置方式：一是圓弧始終通過(guò)上、下交點(diǎn)，半徑則按一定步長(zhǎng)變化；二是以圓心及滑弧深度為中心，給予它們變化的步長(zhǎng)后，程序?qū)⒆詣?dòng)算出所有組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?dòng)識(shí)別，并打印出信息。4應(yīng)用在1998年邵陽(yáng)市病險(xiǎn)水庫(kù)大壩安全鑒定工作中，編者成功地將DQB程序和STAB程序應(yīng)用到邵東流光嶺水庫(kù)和大圳灌區(qū)東風(fēng)水庫(kù)兩座中型大壩的安全鑒定中。由于以上二程序數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作量小，計(jì)算速度快，節(jié)約了大量的時(shí)間，避