1、 土石坝分析软件包 HH-SLOPE 及 AutoBank 测 试 报 告 2006 年 03 月 杭州 国家电力公司华东勘测设计院 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 目录 1. 稳定计算.1 1.1 HH-SLOPE功能简介.1 1.2 理论解对照1 1.3 经典考题测试2 考题 1(a)3 考题 1(c) 3 考题 2(a)4 考题 2(b)5 考题 3(a)5 考题 3(b)6 考题 5.6 1.4 工程实例计算7 1)仙居 7 2)白鹤滩 8 2. 渗流计算.1 2.1 AUTOBANK简介.1 2.2 匀质坝渗流计算2 2.3 地基渗流计算2 2.4
2、心墙坝渗流计算3 3. 应力应变计算.1 3.1 白鹤滩粘土心墙堆石坝应力应变计算1 3.2 刚果英布鲁粘土心墙坝应力应变计算3 4. 测试小结.5 2国家电力公司华东勘测设计院 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 摘 要 本报告对河海大学和黄河勘测规划设计有限公司 （原水利部黄委勘测规划设计研究院） 联合开发的土石坝稳定分析系统 HH-SLOPE以及水工结构有限元分析系统 AutoBANK进行了测试。 其中 HH-SLOPE的主要功能是为满足碾压式土石坝设计规范 SL274-2001规定的有关土质边坡稳定分析的要求而设计的， AutoBANK分两 部分,其中Au
3、toBANK-seep是与 HH-SLOPE相配套的渗流分析模块， 用于确定土石坝各工况的浸润线位置和渗透压力;另外一部分是土石 坝有限元应力应变计算模块.软件测试方法有三类： 1,软件计算结果与理论解的比较; 2,软件计算结果与现行有效软件分析结果进行比较.3经典考题测试. 为了节省篇幅，本测试报告省略了各考题的操作过程，着重于测试例题的来源和测试结果对照。有关操作过程参照软件的操作手册。 3国家电力公司华东勘测设计院 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 1. 稳定计算 1.1 HH-slope 功能简介 本软件是由黄河勘测规划设计有限公司（原黄委会设计院）和河
4、海大学联合开发的，专门计算土石坝边坡稳定，也可计算其他类型的土坡。 本软件的程序结构：系统界面采用VB 和 VC+编制，外挂于AutoCAD14/ 2000/2002/2004平台上。在程序界面上通过设置各多义线（Pline）的属性，即赋予各土层线的物理力学指标，程序计算时提取其属性值获得各土条的物理力学属性，然后在核心计算程序（FORTRAN或VB 语言编写）中计算其滑裂面的安全系数。 程序的功能：程序是在 Windows98/Win2000/WindowsXP操作系统下运行，以AutoCAD （目前支持R14/2000/2002/2004 版本）为图形支撑软件，能够计算土石坝边坡的稳定安全
5、系数，包含碾压式土石坝设计规范（SL2742001）中规定的各种方法的各种工况（部分方法是在规范条文说明中述及的），能够按照规范规定的考虑土层特性进行滑裂面的搜索。 软件的开发目标：能够按照碾压式土石坝设计规范SL274-2001 规定的要求进行各种情况下的土石坝边坡稳定计算，输出输入方便，计算成果可靠。 1.2 理论解对照 设砂土c=0 ， =30度，则根据土力学平衡条件，与水平面夹角为 度的直线滑面，其稳定安全系数的理论解答为tg /tg。下图为SLOPE 计算的 45度、30度、 15度滑面的结果，三种方法计算的安全系数均与理论值结果比较如表。图中Fs分别指瑞典条分法，简化毕肖普法，推力
6、传递法的计算安全系数。 1国家电力公司华东勘测设计院 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 C = 0 , = 30Fs=2.1547(施工期,上游坡,总应力-瑞典法)Fs=2.1547(施工期,上游坡,总应力-简化毕肖普法)Fs=1.0001(施工期,上游坡,总应力-简化毕肖普法)Fs=1.0000(施工期,上游坡,总应力-瑞典法)Fs=0.5774(施工期,上游坡,总应力-瑞典法)Fs=0.5778(施工期,上游坡,总应力-简化毕肖普法)Fs=2.1547(施工期,上游坡,总应力-推力传递法)Fs=1.0000(施工期,上游坡,总应力-推力传递法)Fs=0.57
7、74(施工期,上游坡,总应力-推力传递法)HH-SLOPE 计算的砂土土坡稳定安全系数 角度方法 瑞典圆弧法 简化毕肖普法 推力传递法 理论解45 0.5774 0.5778 0.5774 0.577430 1.0000 1.0001 1.0000 1.000015 2.1547 2.1547 2.1547 2.1547注：由于瑞典圆弧法和简化毕肖普法只适用于圆弧滑动，计算中取大半径圆弧模拟直线滑动面。 评:计算所得安全系数基本等同理论解. 1.3 经典考题测试 “1987年澳大利亚计算机应用协会(ACADS)对澳大利亚所使用的边坡稳定分析程序进行一次调查.他们委托Monash大学的B. Do
8、nald教授和P. Giam博士主持此项工作.此次调查设计的考核题五道,总计十个小题,向120个单位的发出了邀请,有28个单位发回了计算答案.东道主Donald教授还邀请了国际上在边坡稳定分析程序方面做过较多工作的研究者提供裁判程序(Referee Program)答案.本书作者有幸与加拿大Saskatchwen大学Fredlund教授和以色列工学院的Baker教授一起被邀请担任此项工作.本研究成果已于1989年4月19日在澳大利亚岩土工程协会维克多利亚分会的月会上公布, 后正式发表(Donald & Giam, 1992).由于这次调查工作规模较大,所获得的成果比较可靠,本节详细介绍有关的考
9、核题和2国家电力公司华东勘测设计院 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 答案.这些内容可作为各单位和个人对自编程序考核的参考资料 .“ 摘自陈祖煜P365. 本次测试中取其中部分例题进行测试.具体考题说明参见陈祖煜 考题 1(a) 一均质边坡,此题材料性质如下表 c (kN/m2) () (kN/m3) E (kN/m2) K0 备注 3.0 19.6 20.0 1.0E4 0.25 0.65 1#土 HHslope计算结果如下 澳大利亚 考题1Min Fs= 0.9868(施工期,上游坡,总应力-简化毕肖普法)此题推荐的裁判答案为1.00(Donald),0.9
10、 91(陈祖煜),HHslope答案为0.987 考题 1(c) 材料性质如下表 土号 c (kN/m2) () (kN/m3) E (kN/m2) K0 1#土 0.0 38.0 19.5 1.0E4 0.25 0.65 2#土 5.3 23.0 19.5 1.0E4 0.25 0.65 3#土 7.2 20.0 19.5 1.0E4 0.25 0.65 3国家电力公司华东勘测设计院 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 此题推荐的裁判答案为1.39(Donald),1.3 85(陈祖煜),HHslope答案为1.389 3#2#1#Min Fs= 1.3886(
11、施工期,上游坡,总应力-简化毕肖普法)澳大利亚 考题1考题 2(a) 本题选自Talbingo坝实例,坝高162m.材料性质如下表 c (kN/m2) () (kN/m3) E (kN/m2) K0 堆石 0.0 45 20.4 5.0E4 0.30 0.65 过渡层 0.0 45 20.4 5.0E4 0.30 0.65 反滤层 0.0 45 20.4 4.0E4 0.30 0.65 心墙 85 23 18.1 1.0E4 0.44 0.65 由于坝壳料为无粘聚力的砾质材料,如果使用线性强度指标,将获得很浅的临界滑裂面.其安全系数F=tan/tan=1.947. HHslope计算结果如下图
12、.此题推荐的裁判答案为1.95(Baker),1.947(陈祖煜),HHslope答案为1.9475 澳大利亚 考题2Min Fs= 1.9475(施工期,上游坡,有效应力-简化毕肖普法)4国家电力公司华东勘测设计院 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 考题 2(b) 对于指定圆弧计算其稳定安全系数.圆心(100.3,290.0),半径278.8. 此题推荐的裁判答案为2.29,2.224(陈祖煜),HHslope答案为2.214 Fs=2.2142(施工期,上游坡,有效应力-简化毕肖普法)澳大利亚 考题2考题 3(a). 本题为典型求软弱夹层进行非圆弧滑裂面计算
13、考题. 材料性质如下 c (kN/m2) () (kN/m3) E (kN/m2) K0 1#土 28.5 20 18.84 6.0E4 0.25 0.65 2#土 0.0 10 18.84 2.0E4 025 0.65 此题推荐的裁判答案为1.26,1.242(陈祖煜),HHslope答案为1.28.非圆弧滑裂面为手动搜索. 5澳大利亚 考题3Fs=1.2795(运行期,下游坡,有效应力-摩根斯顿法)国家电力公司华东勘测设计院 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 考题 3(b). 此题推荐的裁判答案为1.34,1.265(陈祖煜),1 .261(Fredland
14、).HHslope答案为1.2606. Fs=1.2606(运行期,下游坡,有效应力-摩根斯顿法)26.50,正常运用,上游水位澳大利亚 考题3考题 5 材料性质如下表. c (kN/m2) () (kN/m3) E (kN/m2) K0 Kx=Ky (m/s) 11.0 28.0 20.00 1.5E4 0.25 0.65 5.0E-08 HHslope计算结果为1.5822,如下图.此题推荐的裁判答案为1.53,1.59,1.503( 陈祖煜). 6Min Fs= 1.5822(运行期,下游坡,有效应力-简化毕肖普法)澳大利亚 考题526.00,正常运用,下游水位国家电力公司华东勘测设计院
15、 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 1.4 工程实例计算 1)仙居 Min Fs= 1.6084(施工期,下游坡,有效应力-简化毕肖普法)Min Fs= 1.5332(施工期,下游坡,有效应力-瑞典法)Min Fs= 1.6088(施工期,上游坡,有效应力-瑞典法)Min Fs= 1.6523(施工期,上游坡,有效应力-简化毕肖普法)所选工程为浙江省仙居县仙居抽水蓄能电站主坝，该建筑为面板堆石坝，上游坝坡1： 1.4。控制工况是竣工期的稳定，本院使用陈祖煜教授编写的土质边坡稳定分析软件STAB进行坝坡稳定计算。本次测试结果如下 瑞典圆弧法 简化毕肖普法 项目 程
16、序 上游坝坡 下游坝坡 上游坝坡 下游坝坡 STAB 1.78 1.54 1.86 1.61 HH-SLOPE 1.61 1.53 1.65 1.61 评价:在本测试中,上游坝坡稳定计算取 邓肯非线性参数,而下游坝坡取线性参数.从结果来看,Stab和HH-slop e的线性计算结果基本相同,而非线性计算则有较大差别.根据和两位程序作者分别 联系,分析原因如下:邓肯的摩擦角非线性表达式为 )Palg(30 = ,在小主应力3 较小时,摩擦角会随着3 的减小7国家电力公司华东勘测设计院 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 而增大,按照此表达式,在土坡表面的 摩擦角将趋
17、于无穷大,故必须做出处理.Stab中将3 .所选工程为刚果英布鲁水电枢纽工程.所用的计算程序为加拿大GEO-slope系列程序之SEEP/W-Version5.根据该书中的数据,绘制工程典型剖面见下图: 单宽渗流量1.98E-03( 上游水位:125.00)其中防渗土料,开挖料,砂岩的渗透系数分别取4e-8m/s,1e-5m/s, 2.2e-4m/s.水平向渗透系数和垂直向渗透系数比值Kx/Ky=1.帷幕设置深度取0.同该实例中的边界条件,坝体自建基面以下沿深度方向取300m,上下游坡脚分别向上游取500m,下游取200m.计算正常蓄水位工况(上游308.5m,下游287.62m).用Auto
18、bank建立模型如下: 3国家电力公司华东勘测设计院 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 原文给出的结果是: 下游坝趾处的渗流比降0.311,单宽渗流量为2.94e-3m2/s 用Autobank计算的结果是0.27,2.91e-3m2/s 二者计算的结果基本符合. 4国家电力公司华东勘测设计院 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 3. 应力应变计算 3.1 白鹤滩粘土心墙堆石坝应力应变计算 坝高278.8m,本计算采用邓肯-张E-u模型,计算参数如下: 邓肯-张E-模型材料参数取值表(参数一) 材料 容重(kN/m3) C (kPa
19、) () ()Rf K n G F D Kur覆盖层 14 0 50 8 0.68 800 0.52 0.34 0.08 6 1500堆石体 23 0 55 10 0.70 1100 0.48 0.32 0.06 5 2200堆石体（湿化） 13 0 53 10 0.70 950 0.48 0.32 0.06 5 2200过渡层 22 0 52 10 0.65 900 0.48 0.35 0.06 7 1800过渡层（湿化） 12 0 50 10 0.65 750 0.48 0.35 0.06 7 1800反滤层 22 0 50 8 0.68 700 0.50 0.33 0.06 7 1400
20、反滤层（湿化） 12 0 48 8 0.68 600 0.50 0.33 0.06 7 1400心墙 22 50 30 0 0.75 350 0.35 0.35 -0.006 3.3 700 高塑性土 18 200 15 0 0.85 150 0.5 0.45 0.02 3 300 接触面 （混凝土与高塑性粘土） - 0 15 0 0.8 2000 0.66 - - - - 计算的结果如下 竣工期Y方向位移 1国家电力公司华东勘测设计院 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 竣工期X方向位移 竣工期大主应力 下表是Autobank和殷宗泽教授编写的有限元程序BCF结
21、果的对比 Y方向位移(cm) X方向位移(cm) 大主应力(MPa) Autobank 272 -30.6/28.9 8.15 BCF 255 -37.1/32.33 6.57 由上表可见,二者计算结果虽有所差别,但是大致的趋势基本符合.从位移和应力等值线图来看,Autobank计算的结果和BCF也基本相同. 2国家电力公司华东勘测设计院 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 3.2 刚果英布鲁粘土心墙坝应力应变计算 坝高30m,采用邓肯张EB模型计算. EB模型参数如下 坝料 密度 摩擦角 粘聚力 K n Kb m Rf 防渗土 2.1 24 6 350 0.31
22、1 200 0.257 0.80 反滤 2 31 0 500 0.235 300 0.170 0.80 填筑料 2.05 31 0 500 0.270 300 0.155 0.85 砂岩 2 28.8 200 8000 0 Autobank计算结果如下 Y方向位移 X方向位移 3国家电力公司华东勘测设计院 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 大主应力 第一主应力,LOAD 10 - 100小主应力 本工程中原采用美国加州大学伯克莱分校开发的FEADAM程序计算,和Autobank计算结果比较如下 Y方向位移cm X方向位移cm 大主应力Mpa 小主应力Mpa FE
23、ADAM 20 -13.6/7.7 1.03 0.32 Autobank 20.2 -4.96/2.70 0.679 0.302 本实例中主要位移（y位移）差别很小，次要位移（x位移）有较大差别,大主应力也有差别.以上工程实例计算由于都没有理论解,故不能判断孰优孰劣,但是应力应变计算的趋势大致相当.基本符合工程实际。 4国家电力公司华东勘测设计院 土石坝分析软件 HH-SLOPE 及 AutoBank 测试报告 4. 测试小结 通过计算结果与理论解比较,经典考题测试, 工程实例计算等多个方面的测试,软件的结果比较令人满意.相对于其他同 类软件,本软件操作更简便易用. 总体而言,本软件的计算结果可靠,操作简便易用,具有很高的工作效率. 5
