王敬靜，劉勇兵，鄒 勇(.貴州省黔南州水利水電勘測設(shè)計(jì)院 貴州 都勻 558000；.仙桃市水利水電建筑勘測設(shè)計(jì)院，湖北 仙桃 4000；.武漢大學(xué)，武漢 4007)

1 工程概況

某城際鐵路經(jīng)過江蘇省常州市戚墅堰區(qū)時(shí)，與該區(qū)某水利樞紐工程臨近，城際鐵路將上跨水利樞紐工程泄洪槽，線路距水利樞紐工程主體結(jié)構(gòu)僅19.6 m，兩者勢必會(huì)帶來相互影響，兩者位置關(guān)系見圖1。為保證城際鐵路橋梁工程和水利樞紐工程的安全建設(shè)及運(yùn)營，通過選取典型地質(zhì)剖面，采用三維有限元數(shù)值模擬分析研究了二者相互之間的安全影響。

圖1 城際鐵路與水利樞紐位置關(guān)系剖面圖(單位：mm)

2 技術(shù)路線及研究方案

2.1 分析方法

采用三維應(yīng)力-變形分析方法(FLAC3D)，模擬工程開挖及蓄水過程中的滲流場、應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)分布，探討開挖護(hù)岸翼墻的變形破壞機(jī)理，可能的失穩(wěn)范圍和失穩(wěn)區(qū)域，研究提出需要采取的加固處理方案及施工順序，并做出穩(wěn)定性評價(jià)。

2.2 計(jì)算模型

(1)典型剖面段模型。兩根支護(hù)樁之間的中平面可以視為橫河向的對稱面(見圖2)，根據(jù)對稱性可知，結(jié)構(gòu)對稱面上反對稱的內(nèi)力與位移為零而正對稱的內(nèi)力與位移非零，因此在建立有限元模型時(shí)，可以按準(zhǔn)平面問題進(jìn)行簡化，即沿橫河向取一定長度范圍為典型代表區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。

圖2 機(jī)廠河三維有限元模型計(jì)算范圍及典型剖面代表位置(單位：m)

根據(jù)計(jì)算要求，取x向?yàn)闄M河向，y向?yàn)轫樅酉?，z為豎向，向上為正，x方向?yàn)楣潭s束，y、z方向邊界均為水平鏈桿約束。模型計(jì)算范圍為橫向66 m，垂直向71 m(從高程6 m到高程-65 m)。有限元模型對開挖范圍，土體質(zhì)量分類界線等進(jìn)行了細(xì)致模擬，共剖分單元2 127個(gè)，結(jié)點(diǎn)4 440個(gè)。建成的有限元模型概況見圖3。

圖3 典型坡面有限元模型

(2)水利樞紐三維有限元模型。水利樞紐三維有限元模型建立在局部坐標(biāo)系(X,Y,Z)下，其X軸為橫河向，Y軸為順河向，Z軸正方向鉛直向上。模型計(jì)算范圍沿X軸向取300 m，沿Y軸向取234 m，垂直向取90 m，沿z軸向145 m(從高程6 m到高程-139 m)。計(jì)算模型共剖分單元47 609個(gè)，節(jié)點(diǎn)50 790個(gè)，三維網(wǎng)絡(luò)及概化有限元模型概況見圖4。

圖4 機(jī)廠河三維有限元模型計(jì)算模型

2.3 材料參數(shù)確定

土層的參數(shù)取值見表1。

表1 各土層材料參數(shù)

2.4 計(jì)算荷載與工況

2.4.1計(jì)算荷載

(1)自重荷載，采用自重荷載產(chǎn)生基坑的初始應(yīng)力場。

(2)河道內(nèi)水壓力，河道內(nèi)的水壓力包括靜水壓力和動(dòng)水壓力。

2.4.2計(jì)算工況

計(jì)算時(shí)考慮以下3種工況：①城際鐵路橋梁墩基基坑開挖，土體應(yīng)力釋放；②機(jī)廠河水利樞紐漲水期；③機(jī)廠河水利樞紐退水期(檢修期)。

3 橋梁基坑開挖對水利樞紐工程的影響分析

3.1 土體變形分析

3.1.1基坑開挖后邊墻水平位移分析

圖5給出了基坑開挖完成后，邊墻的水平向位移云圖及位移矢量圖。從圖中可以看出，基坑邊墻出現(xiàn)向基坑內(nèi)的側(cè)移，坑外部分土體隨之發(fā)生向坑內(nèi)移動(dòng)或向坑內(nèi)移動(dòng)的趨勢?；觽?cè)壁在開挖后水平位移沿深度方向呈曲線分布，最大位移發(fā)生在基坑邊墻頂部，水平位移隨深度的增加而逐漸減小。邊墻的最大水平位移為35.4 mm。同時(shí)，由云圖可知邊墻水平位移主要發(fā)生在邊墻頂部土層部分。

圖5 典型剖面基坑開挖完成后邊墻的x向位移云圖及位移矢量圖

3.1.2基坑頂部沉降分析

圖6給出了基坑開挖完成后，邊墻的z向位移云圖。從圖6中可知，基坑底部最大回彈位移為11.5 mm，最大沉降位移發(fā)生在擋土墻后的位置，基坑頂部的最大沉降量分別為1.45，靠近基坑側(cè)壁的位置發(fā)生回橋梁基坑開挖后，橋梁基坑底部出現(xiàn)回彈，基坑最大豎向位移為坑底的變形值，坑底變形值呈現(xiàn)拋物線狀，靠近坑壁位置最小。

圖6 典型剖面基坑開挖完成后邊墻的z向位移云圖

3.2 扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

扶壁式擋土墻底板采用梁單元模擬，立板采用樁單元模擬。底板梁單元和立板樁單元的計(jì)算慣性矩取為擋土墻的等效慣性矩。圖8為開挖完成后模擬擋土墻的結(jié)構(gòu)單元軸力變化圖。從圖7中可知，受基坑開挖的影響，立板承受的最大拉力為78.8 kN，位于立板的最底部。正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，擋土墻底板呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，所承受的最大拉力為79.1 kN，位于底板最外緣。

圖7 擋土墻結(jié)構(gòu)單元軸力變化曲線

圖8為開挖完成后結(jié)構(gòu)單元剪力變化曲線?；娱_挖后，擋土墻立板剪力值較小，為4.2 kN，位于立板的最底部。正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，擋土墻底板所承受的最大剪力為225.7 kN。

圖8 擋土墻結(jié)構(gòu)單元剪力變化曲線

圖9為開挖完成后結(jié)構(gòu)單元彎矩變化圖。從圖9中可知，擋土墻立板所承受的最大彎矩為99.85 kPa，位于立板的最底部。正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，底板所承受的最大拉力為100 kPa。

圖9 擋土墻結(jié)構(gòu)單元彎矩變化曲線

4 水利樞紐工程運(yùn)行期對工程的影響分析

4.1 漲水工況

當(dāng)水利樞紐工程水位瞬時(shí)漲水至高程5.5 m處，根據(jù)滲流分析結(jié)果考慮滲透力，并對水位以下的土體進(jìn)行弱化，得到如圖10～11所示的位移云圖。由圖可知，河道漲水至5.5 m后，由于滲透力的作用，護(hù)岸翼墻變形方向指向邊墻內(nèi)部，最大水平位移為16.6 mm，發(fā)生在翼墻頂部。

圖10 典型剖面豎向位移云圖

圖11 典型剖面水平位移云圖及矢量圖

4.2退水工況

當(dāng)水利樞紐工程水位瞬時(shí)跌至高程2 m處，根據(jù)滲流分析結(jié)果考慮滲透力，并對水位以下的土體進(jìn)行弱化，得到如圖12～13所示的位移云圖。由圖可知，當(dāng)河道內(nèi)水位退水至2 m高程后，由于滲透力的作用，護(hù)岸翼墻變形方向指向河道，最大水平位移為5.3 mm，發(fā)生在翼墻底部靠近河道處。

5 結(jié) 語

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果表明，城際鐵路跨水利樞紐工程采用同步實(shí)施橋梁基坑開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)后，其施工期對水利樞紐工程所引起的應(yīng)力及變形在允許范圍之內(nèi)。工程運(yùn)營期間，水利樞紐在各工況下的滲流場引起的地基應(yīng)力及變形對城際鐵路橋梁樁基的安全不會(huì)造成影響。本文成果可供類似工程施工方案布置參考。

圖12 典型剖面豎向位移云圖

圖13 典型剖面水平位移云圖及矢量圖

□

[1] 華東水利學(xué)院．水工設(shè)計(jì)手冊(第一卷 基礎(chǔ)理論)[M]．北京：水利電力出版社，1983．

[2] SL 265-2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[3] 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研室.水力計(jì)算手冊[M]．北京：中國水利電力出版社，2006．