孫卓麒，練偉，汪明元，可建偉，王亞軍,4

（1.浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)院，浙江 舟山 316022；2.舟山市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 舟山 316022；3.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；4.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316022）

我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)用地緊張帶來(lái)的新開發(fā)區(qū)域施工對(duì)老舊建筑物、構(gòu)筑物的影響越來(lái)越大,特別是商用及住宅區(qū)的修造環(huán)境與大型工業(yè)化區(qū)域的重疊越來(lái)越多，由此引發(fā)的綜合安全事故連鎖反應(yīng)逐年增多，工程技術(shù)與科研人員必須對(duì)此類問題重點(diǎn)關(guān)注。浙江是沿海地區(qū)中的水利大省，省內(nèi)各地區(qū)普遍存在水利工程設(shè)施與民用及商用建筑物相距較近的問題，其中，水庫(kù)大壩作為重要的水源及水能基地在稠密的人口聚集地星羅棋布，特別是許多庫(kù)壩系統(tǒng)的服役年齡較大，庫(kù)區(qū)附近新開發(fā)市政地塊的建造極易對(duì)老舊水利設(shè)施產(chǎn)生復(fù)雜且不利的工程影響，有些影響還具有顯著的隱蔽性與滯后性，給建筑環(huán)境內(nèi)相關(guān)構(gòu)筑物及建筑物造成的威脅極大?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)仿真模擬計(jì)算，重點(diǎn)研究浙東某庫(kù)壩系統(tǒng)在鄰近區(qū)基坑開挖影響下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制與整體可靠性，以保證后續(xù)工程有序、安全實(shí)施。

1 工程概況

本文研究的庫(kù)壩系統(tǒng)地處浙江東部沿海（圖1），壩體為均質(zhì)土壩，壩高14.2m，總庫(kù)容6 萬(wàn)m，為V 等以下山塘庫(kù)區(qū)，壩基巖性為堅(jiān)硬塊狀晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，上覆平均厚度5m 的坡洪積碎石土。與其緊鄰的是開發(fā)中的某商住小區(qū)，區(qū)內(nèi)正在施做的深基坑開挖及部分隱蔽工程距離大壩壩趾最近處約40m（圖2）。

圖1 庫(kù)壩現(xiàn)場(chǎng)

圖2 下游近壩區(qū)基坑作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

本次研究考慮該下游近壩區(qū)近場(chǎng)基坑開挖最大開挖深度8m，分8 個(gè)土層單元逐次完成，基坑動(dòng)態(tài)開挖過(guò)程見圖3。

圖3 下游近壩區(qū)基坑開挖模型圖

2 材料分區(qū)及數(shù)值模擬

本文采用個(gè)性化、精細(xì)化建模手段，前期模型經(jīng)細(xì)化雕刻后劃分為5 個(gè)材料大區(qū)，即兩岸山體、壩體、上游壩踵區(qū)底板、壩基以及下游近壩區(qū)。本文所涉及各區(qū)域材料在仿真計(jì)算中均考慮其非線性特征，壩基及兩岸山體統(tǒng)一使用Drucker-Prager 本構(gòu)模型，壩體、壩肩以及上游壩踵區(qū)底板統(tǒng)一使用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型。對(duì)于降雨、滲透作用下，壩體填筑材料指標(biāo)折減的仿真模擬主要依據(jù)圖4雙曲線折減模型完成，折減方程如式（1）所示。

圖4 雙曲線的折減模型圖

式中，I為折減后指標(biāo)值，I為折減指標(biāo)參照量，F(xiàn)為安全系數(shù)，r 為形狀系數(shù)。

為模擬下游近壩區(qū)地盤工程施工對(duì)區(qū)域內(nèi)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)影響，本次研究引入虛實(shí)單元，以仿真工程對(duì)象環(huán)境變化過(guò)程；對(duì)于部分不含虛實(shí)單元的工況，基坑開挖后邊坡不施加專門支護(hù)單元，該類邊界條件用以模擬坑道初始地應(yīng)力卸載后長(zhǎng)間歇自由變形情況；除專門仿真模擬空庫(kù)運(yùn)行的若干工況外，壩體上游面將普通施加靜水壓力，依據(jù)實(shí)地情況將下游坡面作自由處理；同時(shí)考慮了下游近壩區(qū)地盤工程動(dòng)態(tài)施工（地基處理）對(duì)庫(kù)壩系統(tǒng)的影響，并將施工中產(chǎn)生的振沖荷載作為動(dòng)力學(xué)加載條件引入仿真計(jì)算；動(dòng)力仿真計(jì)算采用脈動(dòng)激振荷載（圖5），模擬下游近壩區(qū)地盤工程開挖加固對(duì)庫(kù)壩系統(tǒng)產(chǎn)生的持續(xù)振沖效應(yīng)；但不考慮下游近壩區(qū)振沖效應(yīng)下上游水庫(kù)的動(dòng)力耦合作用。

圖5 振沖脈動(dòng)激振波形

3 結(jié)果分析

篇幅所限，本文僅列出部分代表性結(jié)果如圖6、7。

圖6 壩體鉛垂向位移場(chǎng)

圖7 塑性圓弧滑動(dòng)區(qū)

依據(jù)模擬結(jié)果，在該基坑開挖過(guò)程中，若系統(tǒng)在高水位下持續(xù)運(yùn)行，則系統(tǒng)可靠性將顯著下降，尤其是在下游近壩區(qū)長(zhǎng)期開挖揭露、無(wú)可靠支護(hù)設(shè)施以隔斷地應(yīng)力卸載對(duì)庫(kù)壩系統(tǒng)擾動(dòng)影響條件下，壩體順河向位移水平普遍較高。

在基坑開挖過(guò)程中，壩體變形對(duì)庫(kù)水位極為敏感，相同位置處高水位下壩體的最大變形量可以達(dá)到低水位下變形量的10 倍以上；而在空庫(kù)下，即便考慮基坑開挖時(shí)邊坡及坑道承受動(dòng)力沖擊，壩體各特征點(diǎn)處的變形量依舊較小。

尤其是開挖卸載，其對(duì)壩體之影響效應(yīng)極為顯著，即使將開挖看作靜載過(guò)程，當(dāng)近場(chǎng)開挖深度超過(guò)5m 后，此過(guò)程對(duì)壩體下游坡變形仍有一定影響，依據(jù)仿真模擬結(jié)果，影響范圍可達(dá)到壩趾以外10 m。

下游近壩區(qū)基坑開挖產(chǎn)生的動(dòng)力影響會(huì)引發(fā)壩頂下游側(cè)的彎曲變形，即該區(qū)域會(huì)出現(xiàn)順河向位移變號(hào)，這種影響還會(huì)向兩岸壩肩傳遞，這種彎曲變形對(duì)壩頂附屬結(jié)構(gòu)物會(huì)造成不同程度破壞。

下游近壩區(qū)基坑開挖動(dòng)態(tài)過(guò)程中，壩頂由于靜力卸載和動(dòng)力沖擊發(fā)生位移是客觀存在的，只是不同工況下幅度有所差異。同時(shí)，與短期高庫(kù)水位相比，基坑開挖過(guò)程中的持續(xù)高水位不良影響更大，與低水位情況相比，高庫(kù)水位下考慮左岸壩肩滲透引發(fā)填筑材料密度折減帶來(lái)的壩體變形量增加更為明顯，特別是由此引發(fā)的自右岸向左岸傳遞的橫河向不平衡拉應(yīng)力較大，最大不平衡拉應(yīng)力大于100 KPa，這種應(yīng)力狀態(tài)極易引發(fā)壩體局部拉裂；考慮降雨、滲透帶來(lái)的填筑材料強(qiáng)度折減主要對(duì)壩體的動(dòng)力性能產(chǎn)生顯著影響，這種不利影響在下游近壩區(qū)及壩肩處更為明顯。

4 結(jié)論

本文采用個(gè)性化、精細(xì)化建模手段，前期模型經(jīng)細(xì)化雕刻后劃分為5 個(gè)材料大區(qū)，即兩岸山體、壩體、上游壩踵區(qū)底板、壩基以及下游近壩區(qū)。

根據(jù)本次研究，基坑開挖期內(nèi)的該庫(kù)壩系統(tǒng)最大庫(kù)水位不宜超過(guò)1.8 m(即不超過(guò)本次研究模擬低水位的20%),同時(shí)須避免下游近壩區(qū)基坑施工期庫(kù)水位的劇烈變化，這種庫(kù)水位的變化幅度達(dá)到或超過(guò)50%時(shí)，會(huì)將下游近壩區(qū)開挖松弛帶來(lái)的壩體下游坡變形影響成倍放大。

下游近壩區(qū)基坑開挖后需及時(shí)做好水平及豎向支護(hù)，盡早將地應(yīng)力卸載帶來(lái)的下游近壩區(qū)巖土體松弛控制在較小的范圍內(nèi)，避免觸發(fā)壩體下游坡變形的連鎖反應(yīng)，尤其應(yīng)避免基坑開挖后未做可靠支護(hù)的“長(zhǎng)間歇”出現(xiàn)；依據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，間歇時(shí)間最長(zhǎng)不宜超過(guò)7 天，且優(yōu)先推薦連續(xù)墻加錨桿的支護(hù)形式。

為安全起見，至少需在基坑邊緣、下游近壩區(qū)一側(cè)做一道隔振溝，以消減基坑開挖過(guò)程中動(dòng)力荷載帶來(lái)的不良影響，避免基坑開挖后期尤其是壩頂出現(xiàn)較大變形。