張軍濤

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院，上海 200434）

近年來(lái)由于內(nèi)河水質(zhì)受到不同程度污染，上海市已成為典型的水質(zhì)型缺水城市。為緩解上海市城市原水供應(yīng)緊張、改善原水水質(zhì)，根據(jù)上海的特殊地理位置，在長(zhǎng)江口開(kāi)辟新水源地對(duì)上海市城市供水安全有極其重大的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

擬建的青草沙水庫(kù)位于長(zhǎng)江口南支下游分流口的北港側(cè)前端部，涉及長(zhǎng)興島西北側(cè)區(qū)域，包括長(zhǎng)興島西北岸線段區(qū)域、中央沙和青草沙等區(qū)域的潮汐帶和淺灘區(qū)域及北小泓、東北小泓等水域。

水庫(kù)環(huán)庫(kù)大堤由南堤、西堤、北堤、東堤及長(zhǎng)興島海塘組成，總長(zhǎng)48.78km，水庫(kù)建成后將是我國(guó)目前最大的江中水庫(kù)。水庫(kù)為蓄淡避咸水庫(kù)，設(shè)計(jì)庫(kù)容5.24億m3，為大（2）型水庫(kù)，工程等級(jí)Ⅰ等，環(huán)庫(kù)大堤為Ⅰ級(jí)建筑物。

水庫(kù)環(huán)庫(kù)大堤的東堤在承受7.0m的雙向水頭作用下，承受荷載較大。根據(jù)以往工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，水庫(kù)東堤擬采用拋填袋裝砂斜坡堤結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是底部采用袋裝沙水下拋填而成，上部堤身兩側(cè)由土工織布管袋充填砂土堆疊而成，堤芯中上部由砂性土散吹形成。但采用拋填袋裝砂工藝施工時(shí)，堆放的隨意性較大，拋填袋之間易形成孔隙，土層均勻性差，在承受雙向水頭作用時(shí)，易形成連續(xù)貫穿性的滲漏通道，導(dǎo)致大堤發(fā)生滲透破壞。

目前水庫(kù)大堤防滲墻的形式較多，若從受力條件分析，此圓弧段防滲墻采用強(qiáng)度高、變形能力強(qiáng)的鋼板樁較合適，然而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試樁試驗(yàn)看，鋼板樁在吹填砂中施打，橫向擺動(dòng)較大，垂直度偏差大；隨著打入深度增加，鋼板樁鎖口處摩擦力越來(lái)越大，造成鋼板樁施工質(zhì)量無(wú)法滿(mǎn)足要求。若選用三軸攪拌樁，由于其施工完成后需一定的養(yǎng)護(hù)齡期，在7.0m雙向水頭作用下，混凝土流失嚴(yán)重，成樁質(zhì)量無(wú)法保證。所以防滲墻形式的選擇必須同時(shí)考慮樁體結(jié)構(gòu)的受力和施工工藝。經(jīng)綜合比選，決定采用施工工藝較為成熟、施工質(zhì)量容易控制且防滲效果較好的混凝土灌注樁，最終混凝土灌注樁之間咬合連成混凝土墻，墻體厚度0.6m。

根據(jù)水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式，尤其是庫(kù)外潮位一天兩漲兩落，庫(kù)內(nèi)、外水位往復(fù)變動(dòng)，可形成7.0m雙向水頭。根據(jù)初擬設(shè)計(jì)方案，青草沙水庫(kù)東堤圓弧段所對(duì)應(yīng)的圓心角較大，在雙向水頭作用下拱的作用十分明顯。當(dāng)庫(kù)外水位高于庫(kù)內(nèi)水位運(yùn)行時(shí)，防滲墻受壓；當(dāng)庫(kù)內(nèi)水位高于庫(kù)外水位運(yùn)行時(shí)，防滲墻受拉。鑒于東堤圓弧段防滲墻［1-4］受力復(fù)雜的特性，需采用三維有限元對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，以便為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 計(jì)算模型

設(shè)計(jì)方案初擬青草沙水庫(kù)東堤的圓弧段堤身高15m，圓弧段防滲墻長(zhǎng)374m，其半徑300m，圓心角71.4°。堤身下臥土層第四系全新統(tǒng)松散堆積物厚度很大，典型土層的材料力學(xué)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

根據(jù)防滲要求，防滲墻需深入④層土2m，墻體高24m。防滲墻采用C25混凝土，混凝土材料重度24kN/m3，彈性模量28GPa，泊松比0.167，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9MPa。

表1 土層及堤身的材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)初擬設(shè)計(jì)方案，采用大型有限元軟件建立青草沙水庫(kù)東堤的精細(xì)有限元模型，有限元模型［5］全部采用體型較好的6面體8結(jié)點(diǎn)等參單元剖分，如圖1所示。模型反映了堤身、防滲墻及堤基土層分區(qū)影響，并考慮了各土層物理力學(xué)指標(biāo)在模型中的分布，如圖2所示。在進(jìn)行三維有限元計(jì)算時(shí)，土體采用對(duì)Mohr-Coulomb模型進(jìn)行改進(jìn)后的Drucker-Prager模型，在巖土工程的有限元分析中，該模型應(yīng)用廣泛。

圖1 三維有限元模型網(wǎng)格劃分

圖2 斷面土層分區(qū)

根據(jù)雙向水頭的實(shí)際情況，計(jì)算工況分為2種：工況1，庫(kù)內(nèi)死水位-1.00m，庫(kù)外設(shè)計(jì)高潮位6.13m，水頭差7.13m；工況2，庫(kù)內(nèi)咸潮期最高蓄水位7.00m，庫(kù)外設(shè)計(jì)低潮位-0.07m，水頭差7.07m。

3 東堤圓弧段防滲墻拱作用研究

圖3～圖6分別為兩種工況作用下防滲墻有限元計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力等值線。從圖3與圖4可看出，在工況1作用下防滲墻受壓，最大拉應(yīng)力1.75MPa，最大壓應(yīng)力9.54MPa，小于混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求；從圖5與圖6可看出，在工況2作用下防滲墻受拉，最大壓應(yīng)力4.43MPa，小于混凝土抗壓強(qiáng)度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，但最大拉應(yīng)力10.05MPa，大于混凝土抗拉強(qiáng)度，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。究其原因是堤身土體與混凝土灌注樁防滲墻的力學(xué)性質(zhì)不同，剛度相差懸殊，水壓力作用使圓弧段防滲墻在反拱作用下產(chǎn)生較大的水平拉應(yīng)力。因此需對(duì)工況2作用下的圓弧段防滲墻進(jìn)行更深入的研究，以尋求科學(xué)的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化水平拉應(yīng)力。

圖3 工況（1）第一主應(yīng)力

圖4 工況（1）第三主應(yīng)力

圖5 工況（2）第一主應(yīng)力

圖6 工況（2）第三主應(yīng)力

4 東堤圓弧段防滲墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為優(yōu)化防滲墻受力，盡量消除圓弧段的反拱作用，才能有效減小防滲墻的水平拉應(yīng)力。在圓弧半徑及其對(duì)應(yīng)圓心角無(wú)法改變的情況下，較為合理的方案是采取“化整為零”的辦法，將圓弧段分成若干小段，在結(jié)構(gòu)縫處采用柔性止水材料，這樣既能確保防滲墻的整體防滲效果不受影響，同時(shí)又能保證各小段之間受力獨(dú)立，達(dá)到減小反拱作用的目的?，F(xiàn)試將整個(gè)東堤圓弧段等分4段小圓弧，每段小圓弧所對(duì)應(yīng)的圓心角17.85°。圖7為各小圓弧段在工況2作用下的應(yīng)力等值線，防滲墻最大拉應(yīng)力1.212MPa，各分段的水平拉應(yīng)力已顯著降低，基本能滿(mǎn)足混凝土防滲墻的抗拉強(qiáng)度要求，同時(shí)各小圓弧段在工況2作用下的最大壓應(yīng)力6.32MPa，小于混凝土抗壓強(qiáng)度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果表明：“化整為零”的技術(shù)方案有效減小了圓弧段的反拱作用，降低了水平拉應(yīng)力。實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)可將圓弧段等分成6段小圓弧，從而使防滲墻水平應(yīng)力能有一定的安全度。

圖7 工況（2）第一主應(yīng)力

5 結(jié)語(yǔ)

上海青草沙水庫(kù)工程?hào)|堤圓弧段受到雙向水頭作用，導(dǎo)致該部分的防滲墻受力復(fù)雜。為了克服圓弧段防滲墻在反拱作用下的不利影響，確保水庫(kù)東堤圓弧段防滲墻在雙向水頭作用下的安全運(yùn)行，根據(jù)初擬設(shè)計(jì)方案，利用有限元軟件，建立三維東堤圓弧段有限元模型，對(duì)雙向水頭作用下的東堤圓弧段進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于工況2，防滲墻的最大拉應(yīng)力不滿(mǎn)足規(guī)范要求。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該部分防滲墻采取“化整為零”的處理方式，進(jìn)行防滲墻的優(yōu)化研究，計(jì)算結(jié)果表明：“化整為零”的技術(shù)方案有效減小了圓弧段的反拱作用，降低了水平拉應(yīng)力，此工程技術(shù)方案可行。研究成果為工程設(shè)計(jì)提供了理論參考依據(jù)。

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