安靜華

小浪底引黃工程地下連續(xù)墻應(yīng)力變形分析研究

安靜華

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

小浪底引黃工程取水口施工圍堰采用內(nèi)徑30m的圓形地下連續(xù)墻，最大墻深53m，連續(xù)墻自上而下穿越低液限粘土夾卵石混合土層、礫巖和灰?guī)r地層，工程地質(zhì)條件差，施工技術(shù)難度大。本文對(duì)地下連續(xù)墻完成后筒體內(nèi)土體開(kāi)挖和連續(xù)墻拆除施工過(guò)程中連續(xù)墻的應(yīng)力變形進(jìn)行分析，為連續(xù)墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方案提供依據(jù)。

地下連續(xù)墻 應(yīng)力變形 敏感性分析

1 概述

小浪底引黃工程是自黃河干流上的小浪底水利樞紐工程庫(kù)區(qū)向山西省涑水河流域調(diào)水的大型引調(diào)水工程，是山西省重點(diǎn)工程大水網(wǎng)項(xiàng)目之一。小浪底引水工程取水口布置于黃河岸邊小浪底庫(kù)區(qū)，取水方式為岸邊固定取水，布置進(jìn)水塔和引水渠。進(jìn)水塔施工采用內(nèi)徑為30m的圓形地下混凝土連續(xù)墻作為施工圍堰，進(jìn)水塔施工在連續(xù)墻筒體內(nèi)進(jìn)行，進(jìn)水塔施工完成后部分筒體拆除。

連續(xù)墻自上而下穿越地層：上部為中更新統(tǒng)洪積（Q2

pl）低液限粘土、含礫低液限粘土夾卵石混合土，厚度25～40m，中部為礫巖、礫巖夾泥巖、含石膏泥巖，厚度0～12m，下部為奧陶系中統(tǒng)（O2）薄-中厚層深灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，厚度大于50m。由進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)尺寸確定連續(xù)墻采取圓形結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑30m，最小深度為42.5m，最大深度為53m。根據(jù)小浪底水庫(kù)運(yùn)行情況，水位變幅在230～275m高程之間。因此，本工程施工特點(diǎn)為：（1）連續(xù)墻穿越地層復(fù)雜，工程地質(zhì)條件差；（2）連續(xù)墻結(jié)構(gòu)尺寸大，承受水壓力（45m水頭）大，且存在水位驟降情況；（3）施工技術(shù)難度大?；谝陨瞎こ烫攸c(diǎn)，有必要對(duì)施工過(guò)程中連續(xù)墻的安全性進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算連續(xù)墻施工完成后筒體內(nèi)土體開(kāi)挖和連續(xù)墻拆除施工過(guò)程中連續(xù)墻的應(yīng)力變形，從而為連續(xù)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方案的確定提供依據(jù)。取水建筑物及連續(xù)墻剖面見(jiàn)圖1。

圖1 取水建筑物及地下連續(xù)墻剖面圖

2 地下連續(xù)墻應(yīng)力變形計(jì)算14

2.1計(jì)算方法

圓形連續(xù)墻筒體是利用其圓形結(jié)構(gòu)抵御基坑開(kāi)挖后周?chē)馏w的圍壓和庫(kù)水位變幅對(duì)筒體產(chǎn)生的水壓，該連續(xù)墻與現(xiàn)行規(guī)范（《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程（JGJ120-99）》、《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范（SL379-2007）》）中的連續(xù)墻和擋土墻的受力結(jié)構(gòu)存在較大差異，無(wú)法直接套用規(guī)范進(jìn)行分析，本工程采用有限元仿真分析方法（SAPTIS程序）計(jì)算各種工況下連續(xù)墻的變形與應(yīng)力。該程序已成功用于國(guó)內(nèi)十幾座大型水利水電工程的仿真分析，取得了很好的應(yīng)用效益。

2.2計(jì)算模型

計(jì)算網(wǎng)絡(luò)：圖2為整體計(jì)算模型?？紤]地質(zhì)條件，將材料分為O2灰?guī)r微風(fēng)化區(qū)、O2灰?guī)r弱風(fēng)化區(qū)、O2灰?guī)r強(qiáng)風(fēng)化區(qū)、E2pm礫巖和礫巖夾泥巖、Q2pl土體。

邊界條件：地下連續(xù)墻周邊考慮5倍以上地基。地基邊界和底部施加法向約束。

圖2 計(jì)算模型圖

施工過(guò)程模擬：（1）連續(xù)墻筒體內(nèi)平層開(kāi)挖，每次開(kāi)挖深度小于5m；（2）連續(xù)墻內(nèi)進(jìn)水塔施工完成后，開(kāi)挖連續(xù)墻外的土層和巖體，并按照土坡1：2，巖質(zhì)邊坡1：0.75的比例進(jìn)行削坡；（3）連續(xù)墻拆除，每次拆除高度為5m，與筒體外土層同步拆除。

2.3計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 巖體和混凝土材料參數(shù)值

表2 土體材料參數(shù)值

表3 計(jì)算工況表

表4 工況1不同開(kāi)挖步最大變形與應(yīng)力

2.4計(jì)算工況

計(jì)算工況見(jiàn)表3。

3 地下連續(xù)墻應(yīng)力變形分析

3.1初始地應(yīng)力計(jì)算

按照連續(xù)墻施工前的材料分區(qū)，考慮自重荷載，計(jì)算得初始地應(yīng)力場(chǎng)土體最大豎向應(yīng)力0.67MPa，側(cè)向壓應(yīng)力0.32MPa，按側(cè)壓系數(shù)中間值0.48考慮。

3.2基本工況下變形與應(yīng)力規(guī)律

工況1為例，取每一個(gè)開(kāi)挖與拆除步的典型時(shí)刻從變形、應(yīng)力兩方面分析。

表4計(jì)算結(jié)果表明：

（1）基坑開(kāi)挖后，連續(xù)墻總體向基坑內(nèi)部變形，靠近河床的一側(cè)由于土體較高變形較大，遠(yuǎn)離河床的一側(cè)變形較小，最大變形出現(xiàn)在土體與巖體的結(jié)合部。由于工況1假定土體為均質(zhì)材料，圓形筒體較好的抵御內(nèi)部土體開(kāi)挖后的外部土體的擠壓?；炷翉椖Ｈ?0GPa，土體壓縮模量取4.5MPa中間值時(shí)，靠近河床一側(cè)的最大變形為3.10mm。

（2）開(kāi)挖過(guò)程中，由于上下游與左右側(cè)受到的荷載不同，連續(xù)墻筒體存在局部不均勻變形，連續(xù)墻筒體局部產(chǎn)生拉應(yīng)力。筒體周邊土體參數(shù)較均勻情況下，部份筒體可能在外側(cè)產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，在內(nèi)側(cè)產(chǎn)生環(huán)向壓應(yīng)力，而部份筒體可能在內(nèi)側(cè)產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，在外側(cè)產(chǎn)生環(huán)向壓應(yīng)力。豎直向也會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值小于環(huán)向。各開(kāi)挖步最大拉應(yīng)力為2.01MPa，最大壓應(yīng)力6.31MPa，發(fā)生在筒體拆除過(guò)程中。

（3）不考慮滲流條件下，連續(xù)墻施工過(guò)程中，周?chē)馏w將發(fā)生塑性屈服，但屈服區(qū)主要位于筒體中上部周?chē)?，連續(xù)墻底部周?chē)^(qū)較小，且未連通。

3.3參數(shù)敏感性分析

參數(shù)敏感性分析見(jiàn)表5。

由表5可知：巖土體參數(shù)對(duì)連續(xù)強(qiáng)變形和應(yīng)力存在較大影響，尤其是當(dāng)巖土體參數(shù)取下限時(shí)，最大變形增大為5.24mm，最大拉應(yīng)力增大為2.24MPa，最大壓應(yīng)力增大為12.51MPa；混凝土彈模由30GPa降為20GPa時(shí)，最大變形增大為7.12mm，最大拉應(yīng)力減小為1.93MPa，最大壓應(yīng)力增大為13.02MPa。

3.4連續(xù)墻厚度敏感性分析

連續(xù)墻厚度敏感性分析見(jiàn)表6。

表5 不同參數(shù)各工況最大變形與應(yīng)力對(duì)比

表6 不同連續(xù)墻厚度各工況最大變形與應(yīng)力對(duì)比

表7 不均勻荷載和參數(shù)各工況最大變形與應(yīng)力對(duì)比

不同連續(xù)墻厚度情況下，基坑開(kāi)挖時(shí)連續(xù)墻的變形與應(yīng)力規(guī)律為：連續(xù)墻厚度越厚，連續(xù)墻的變形越小，應(yīng)力越小，連續(xù)墻厚度由1.5m增加到1.8m時(shí)，位移減小約7.7%，拉應(yīng)力最大值減小2.5%。

3.5不均勻荷載敏感性分析

工況1～工況5均假定不同分區(qū)土體和巖體為均質(zhì)材料，實(shí)際上，土體的參數(shù)肯定會(huì)存在差異，本節(jié)研究筒體上下、作用分別為不同材料參數(shù)時(shí)的連續(xù)墻變形和應(yīng)力。由表7可知：土體參數(shù)不均勻時(shí)，連續(xù)墻變形應(yīng)力均有較大幅度增大，順?biāo)鞣较蜃冃卧龃鬄?.26mm，最大拉應(yīng)力增加為2.11MPa，最大壓應(yīng)力增大為6.95MPa。

3.6連續(xù)墻不同拆除方式影響分析

本文研究了連續(xù)墻不水平拆除，而采取先拆除迎水面的土體和連續(xù)墻。計(jì)算表明，如果連續(xù)墻不水平拆除，而先拆除缺口，將會(huì)使得連續(xù)墻圓筒結(jié)構(gòu)破壞，混凝土連續(xù)墻的變形和應(yīng)力均大大增加，最大變形由2.35mm增加到18.21mm，最大拉應(yīng)力由1.33MPa增加到11.60MPa，最大壓應(yīng)力由4.02MPa增加到41.12MPa，見(jiàn)表8。

表8 不同拆除方式各工況最大變形與應(yīng)力對(duì)比

4 結(jié)論

（1）地下連續(xù)墻一般是在土質(zhì)比較松軟的厚土層時(shí)采用，利用較深的嵌固深度來(lái)保持連續(xù)墻的穩(wěn)定。本工程取水口地下連續(xù)墻與常規(guī)的連續(xù)墻有兩個(gè)差別：①連續(xù)墻墻底位于強(qiáng)風(fēng)化層和弱風(fēng)化層的分界線(xiàn)上，相對(duì)于墻底位于土體中而言，穩(wěn)定性相對(duì)較好；②連續(xù)墻形狀為圓筒形，連續(xù)墻內(nèi)土體開(kāi)挖后，承擔(dān)周?chē)馏w圍壓作用，相對(duì)于平面形狀的連續(xù)墻而言，穩(wěn)定性較優(yōu)。將連續(xù)墻墻底打入巖基中以及始終保持圓形的連續(xù)墻受力結(jié)構(gòu)是保證取水口地下連續(xù)墻正常工作的關(guān)鍵。

（2）均勻圍壓下，圓形連續(xù)墻為壓應(yīng)力；連續(xù)墻基坑開(kāi)挖后，靠近庫(kù)區(qū)側(cè)的土體較高，且受下部巖石的影響連續(xù)墻筒體的深度不一，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，不均勻圍壓將在局部產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力發(fā)生在拆除過(guò)程中。

（3）本工程位于小浪底庫(kù)區(qū)，水位變幅較大，且存在水位驟降的情況，施工時(shí)應(yīng)采取排水措施，保持連續(xù)墻外圍水位為同一水平層，有利于連續(xù)墻筒體的穩(wěn)定。

（4）連續(xù)墻拆除時(shí)應(yīng)確保同水平層同時(shí)拆除，避免拆除缺口的不利情況。

（5）筒體周?chē)痪鶆驖B流對(duì)筒體應(yīng)力和穩(wěn)定的影響有待于進(jìn)一步研究。

通過(guò)地下連續(xù)墻應(yīng)力變形分析計(jì)算，為本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方案的確定提供了科學(xué)的依據(jù)，可作為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)參考。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.05.014

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1672-2469（2014）05-0046-05

14作者簡(jiǎn)介：安靜華（1966年—），女，高級(jí)工程師。

注：①土的干密度平均值為1.59 t/m3，土粒比重為2.71t/m3，土的飽和容重按1.83t/m3取用；②土體抗壓強(qiáng)度不起控制作用，取較大值。③土體屈服準(zhǔn)則采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則。