代玉華

（喀左縣水利局，遼寧喀左122300）

1 工程背景

龍王廟臥虎水庫工程為遼寧省丹東市2018 年本級(jí)小型農(nóng)田水利工程，壩址位于東港市龍王廟鎮(zhèn)臥虎村境內(nèi)的大洋河支溝上，屬于一座以灌溉為主，兼有防洪功能的小型農(nóng)田水利工程，工程建成之后可以為龍王廟鎮(zhèn)的5 個(gè)自然村提供比較穩(wěn)定的灌溉水源，對(duì)提高當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有重要意義。臥虎水庫為均質(zhì)土壩壩型設(shè)計(jì)，壩址以上集雨面積為16.45 km2，設(shè)計(jì)庫容為105 萬m3。水庫的正常蓄水位為354.20 m，設(shè)計(jì)洪水位為357.74 m，校核洪水位為359.23 m。龍王廟臥虎水庫工程設(shè)有1 處供水洞，設(shè)計(jì)流量為2.0 m3/s，洞身斷面為3.0 m×3.0 m，主要由連接段、閘室、涵洞和出水池等部分組成。由于水庫大壩地質(zhì)環(huán)境不甚理想，因此主要采用穿壩涵管完成水庫的輸水和泄水功能[1]。由于大壩壩高較大，因此涵洞的大部分洞段屬于高填方洞段。從工程實(shí)踐來看，高填方涵洞的病害問題始終存在，原因也比較復(fù)雜。但是，其主要原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算不合理[2]。例如，在涵洞的土壓力計(jì)算過程中，設(shè)計(jì)人員往往根據(jù)一些計(jì)算規(guī)范進(jìn)行，而沒有充分考慮涵洞本身的形態(tài)、填土性質(zhì)以及填土高度等因素，因此造成涵洞的尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理[3]。因此，針對(duì)具體的涵洞洞型，探求土壓力的敏感因素，完善設(shè)計(jì)思路，對(duì)提高涵洞的設(shè)計(jì)水平具有重要意義。基于此，此次研究以上述工程背景為依托，利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)高填方穿壩涵管頂土壓力變化規(guī)律展開研究，并為涵洞的工程設(shè)計(jì)提供必要的參考和支撐。

2 ANSYS 有限元計(jì)算模型

2.1 軟件

ANSYS 有限元軟件可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁場(chǎng)分析、流體分析以及聲場(chǎng)分析，具有十分強(qiáng)大的分析能力，同時(shí)還可以在大多數(shù)計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)下運(yùn)行，具有良好的人機(jī)界面，十分便于用戶使用和操作[4]。ANSYS 軟件包括了前處理、加載求解和后處理模塊，可以方便快捷地進(jìn)行分析研究?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，此次研究選用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算模型的構(gòu)建。

2.2 計(jì)算模型的構(gòu)建

由于涵管的受力和變形表現(xiàn)為比較典型的平面應(yīng)變特征，研究中不考慮受力和變形的空間效應(yīng)，因此采用二維平面計(jì)算模型即可[4]；另一方面，由于涵管的模型結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，因此在模型的構(gòu)建中僅取涵洞中心線一側(cè)作為模型的構(gòu)建范圍[5]。結(jié)合背景工程涵洞的設(shè)計(jì)尺寸和相關(guān)的研究經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算的寬度為10.0 m，高度為30.0 m。涵洞的高度為3.0 m，寬度為1.5 m。計(jì)算模型的側(cè)向邊界節(jié)點(diǎn)施加水平位移約束，豎向?yàn)樽杂梢苿?dòng)；模型的底部施加全位移約束，也就是豎直和水平方向均不可移動(dòng)[6]；模型的填土表面不施加約束，為自由面條件。涵洞與土體的接觸部位設(shè)置Conta171 接觸單元，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.4；目標(biāo)單元選用Targe169 單元；模型的填土部位采用D-P 模型，單元類型選用Plane42 四節(jié)點(diǎn)四邊形單元[7]。涵洞的地基和洞身均為剛性材料假設(shè)，模型的網(wǎng)格剖分示意圖如圖1 所示。

圖1 有限元模型示意圖

根據(jù)各種材料的受力情況和特征，假定地基和涵洞為線彈性變形，填土和右側(cè)的邊坡為理想的彈塑性材料，屈服準(zhǔn)則選用修正之后的摩爾-庫倫準(zhǔn)則[8]。土體的參數(shù)根據(jù)實(shí)地勘察資料和室內(nèi)試驗(yàn)的方法獲取。其中，土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角選用工程現(xiàn)場(chǎng)的填土經(jīng)過室內(nèi)固結(jié)和三軸試驗(yàn)測(cè)定，土體的彈性模量通過電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，管涵混凝土材料的參數(shù)采用施工設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)。各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 各材料物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 固定填土高度

工程中，穿壩涵管在壩體以下部位采用上埋式涵管，大壩下游段采用溝埋式涵管。因此，研究中保持填土高度20.0 m 不變，利用已構(gòu)建的模型對(duì)涵管的垂直土壓力分布和沉降量進(jìn)行模擬計(jì)算，以獲取上述兩個(gè)參數(shù)的分布規(guī)律。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，上埋式涵管的最大垂直土壓力出現(xiàn)在管頂部位，為391.41 kPa，土壓力系數(shù)為1.16，說明該部位的垂直土壓力明顯大于覆土自重。究其原因，主要是涵管和填土之間存在剛度差，造成涵管上覆土與兩側(cè)土體產(chǎn)生不均勻沉降，從而造成土體內(nèi)部的荷載傳遞，最終導(dǎo)致兩側(cè)土壓力較小，涵管頂部的土壓力較大。溝埋式涵管的情況類似，最大垂直土壓力出現(xiàn)在管頂部位，為351.05 kPa，土壓力系數(shù)為1.04，說明該部位的垂直土壓力略微大于覆土自重。由于土拱效應(yīng)可以減小一部分覆土自重，因此涵管頂部的應(yīng)力集中現(xiàn)象并不明顯。

在計(jì)算結(jié)果中提取部分關(guān)鍵點(diǎn)位的沉降量數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2 所示。由計(jì)算結(jié)果可知，上埋式涵管上方沉降量較小，兩側(cè)的沉降量較大，且沉降量在影響范圍內(nèi)隨著與中心距離的增大而增大，在影響范圍之外呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)。溝埋式涵管的中心部位沉降量最大，兩側(cè)呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。

表2 部分關(guān)鍵點(diǎn)位沉降量計(jì)算結(jié)果

3.2 不同填土高度

研究中對(duì)兩種不同形式的高填方涵管在不同填土高度下的管頂垂直土壓力進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖2 所示的填土高度與土壓力系數(shù)之間的變化曲線。由圖2 可知，在上埋式涵管條件下，填土高度小于10.0 m 時(shí)，頂部的垂直土壓力基本等于覆土自重，填土高度大于10.0 m 時(shí)，頂部的垂直土壓力大于覆土自重，涵管頂部出現(xiàn)壓力集中現(xiàn)象，在填土高度為20.0 m 至40.0 m 時(shí)達(dá)到最大，之后趨于減小。對(duì)溝埋式涵管而言，當(dāng)填土高度小于15.0 m 時(shí)，由于土拱效應(yīng)不夠，因此垂直土壓力系數(shù)大于上埋式涵管；填土高度大于15.0 m 時(shí)，由于土拱效應(yīng)的增加，垂直土壓力系數(shù)小于上埋式涵管，最終土壓力系數(shù)逐步穩(wěn)定于0.85 左右。

圖2 涵管頂部土壓力系數(shù)隨填土高度變化曲線

研究中，對(duì)兩種不同形式的高填方涵管在不同填土高度下的管頂沉降量進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖3所示的填土高度與沉降量之間的變化曲線。由圖3 可知，涵管中心的沉降量隨著填土高度的增加而增加，且溝埋式管涵的沉降量始終比上埋式涵管的沉降量大，同時(shí)，隨著填土高度增加，兩種不同形式涵管的沉降量差距不斷增大。從以上分析可知，上埋式涵管的中心沉降量小于兩側(cè)的沉降量，而溝埋式涵管的中心沉降量大于兩側(cè)的沉降量，因此兩種涵管的上覆土體運(yùn)動(dòng)特征不一致，進(jìn)而導(dǎo)致上埋式涵管頂土壓力集中，而溝埋式涵管會(huì)產(chǎn)生土拱效應(yīng)，導(dǎo)致涵管頂部的壓力減小，最終導(dǎo)致兩種涵管形式在沉降量上的差異。

圖3 涵管頂部填土高度與沉降量之間的變化曲線

4 結(jié)論

此次研究以龍王廟臥虎水庫工程穿越壩體涵管為例，利用數(shù)值模擬的方法研究了高填方穿壩涵管頂土壓力變化規(guī)律，獲得主要結(jié)論如下：

1）上埋式涵管和溝埋式涵管的最大垂直土壓力均出現(xiàn)在管頂部位，且上埋式涵管的土壓力系數(shù)明顯偏大。

2）上埋式涵管的上方沉降量較小，兩側(cè)的沉降量較大，且沉降量在影響范圍內(nèi)隨著與中心距離的增大而增大，在影響范圍之外呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)。溝埋式涵管的中心部位沉降量最大，兩側(cè)呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。

3）在上埋式涵管條件下，頂部的垂直土壓力隨著填土高度的增加而減?。辉跍下袷胶軛l件下，頂部的垂直土壓力隨著填土高度的增加而增加。

4）涵管中心的沉降量隨著填土高度的增加而增加，且溝埋式管涵的沉降量始終比上埋式涵管的沉降量大，同時(shí)，隨著填土高度增加，兩種不同形式涵管的沉降量差距不斷增大。