陳詩陽

（深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,廣東 深圳 518001）

1 引言

堤防作為水利工程中重要的控流和防洪建筑物,設(shè)計時必須考慮其安全穩(wěn)定性和滲流場的變化[1-2]。擋土墻作為一種防護(hù)結(jié)構(gòu),對防洪、防滲和加固有重要影響,因此對擋土墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化,提高堤防運行安全水平具有重要意義。前人[3-4]采用ANSYS、ABAQUS 等數(shù)值模擬軟件對擋土墻進(jìn)行了靜力場分析,評價了擋土墻的應(yīng)力和位移特性,展現(xiàn)了數(shù)值模擬在結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)優(yōu)勢。華中等[5]、劉波[6]認(rèn)為水工設(shè)計不應(yīng)僅研究靜態(tài)穩(wěn)定性,而應(yīng)結(jié)合FLUENT、MIKE21 等滲流場模擬平臺在文中以某水庫堤防為基礎(chǔ),通過采集的數(shù)據(jù)與有限元模型FLAC 3D 進(jìn)行結(jié)合,通過數(shù)值模擬和FLUENT 仿真平臺對加筋格柵擋土墻優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了分析,為選擇最優(yōu)堤防擋土墻結(jié)構(gòu)提供了參考。

2 工程設(shè)計模擬

2.1 工程概況

某水庫工程堤防兩側(cè)岸坡路堤穩(wěn)定性較差,地基土主要為軟粘土,沉降變形量較大,嚴(yán)重威脅堤防工程的安全。因此,在設(shè)計時考慮使用加筋的形式來加固該岸坡。其設(shè)計形式見圖1,使用土工格柵對擋墻進(jìn)行加固,不同于其他擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計,格柵的設(shè)計需要與墻體契合,考慮墻體的受力、變形和滲流等因素,才可更大限度地發(fā)揮加筋擋土墻的防護(hù)作用。因此,本文重點從上述因素對格柵結(jié)構(gòu)擋土墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行分析。

圖1 加筋擋土墻模型

2.2 工程設(shè)計

使用FLAC 3D 平臺如圖2 所示的擋土墻。對堤防上下游15 m 范圍的流場和靜態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行模擬,將整個模型劃分為121652 個節(jié)點單元和142685 個節(jié)點,岸坡巖層的物理力學(xué)參數(shù)和土壤滲透系數(shù)直接通過試驗測得。擋墻扶壁設(shè)置為1.2 m,墻板厚度設(shè)置為1 m,土工格柵分層鋪設(shè),共設(shè)置六組不同的格柵層間距,從0 m（無格柵）開始,每隔0.2 m 設(shè)置一個,至1.2 m 層間距。探究不同格柵層間距擋墻的結(jié)構(gòu)靜態(tài)以及流場特性。

圖2 擋墻有限元分割模型

圖3 是擋土墻結(jié)構(gòu)的面板、踵板和支墩等部位,無論擋土墻是否采用加筋設(shè)計,其結(jié)構(gòu)安全性在模擬結(jié)果上均以擋土墻各重要部位的應(yīng)力和位移特征圖來體現(xiàn)。格柵布置示意圖見圖4,通過設(shè)置不同的格柵參數(shù),觀察模型X、Y、Z 方向上的位移和各部位應(yīng)力狀況。然后將幾何模型導(dǎo)入FLUENT模型進(jìn)行滲流場的模擬,分析滲流特征參數(shù)。

圖3 擋墻結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 格柵布設(shè)示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力特征

通過改變格柵層間距,獲得擋土墻各位置的拉應(yīng)力變化與層間距的關(guān)系,見圖5。由圖中拉應(yīng)力的變化可知,在不同層間距設(shè)計方案中,擋土墻結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在擋墻面板的迎水側(cè)。從抗拉安全設(shè)計的角度來看,迎水側(cè)面板最容易受到集中張拉應(yīng)力的影響,在設(shè)計時應(yīng)選用抗拉強度較高的材料,以滿足抗拉要求。隨著格柵層間距的增加,迎水側(cè)面板、扶肋和頂板的最大拉應(yīng)力均有不同程度的減小。分析表明,格柵層間距不宜過大也不宜過小,張拉應(yīng)力的分散效果會隨著間距的增加而變好,提高擋墻整體抗拉強度；但當(dāng)間距過大會使格柵在擋墻內(nèi)部的分布造成影響。當(dāng)格柵層間距在0～0.8 m 之間時,迎水側(cè)面板、扶肋和頂板的拉應(yīng)力降幅平均為22.7%、25%、18.7%,當(dāng)層間距超過0.8 m 后,三者拉應(yīng)力的平均降幅為0.7%、1.2%和0.9%。通過觀察擋墻不同位置拉應(yīng)力的變化,初步得出格柵層間距的不宜超過0.8 m。而擋土墻踵底在所有方案中,拉應(yīng)力均穩(wěn)定在1 MPa,不同格柵層間距條件下拉應(yīng)力的變化幅度不超過1%。綜上,當(dāng)格柵層距離為0.8 m 時,結(jié)構(gòu)抗拉效果具有最顯著的優(yōu)勢。

通過對擋墻重點部位進(jìn)行靜力場計算,得到了不同部位壓應(yīng)力與格柵層間距的變化關(guān)系,見圖6。由圖分析各部位的壓應(yīng)力變化,不同格柵層間距條件下,踵底板處的壓應(yīng)力均為最大,表明受壓效果的最主要因素是結(jié)構(gòu)的自重應(yīng)力。各部位的最大壓應(yīng)力均隨著格柵層間距的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,而所有部位最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在層間距為0.8 m的方案中。當(dāng)層間距超過0.8 m 時,層間距每增加0.2 m,各部位的壓應(yīng)力呈下降趨勢,通過以上圖形趨勢的分析,在進(jìn)行格柵設(shè)計時不宜超過0.8 m,格柵層間距在0.8 m 時各部位受壓強度達(dá)到最大,此時拉應(yīng)力強度也較小,靜態(tài)場穩(wěn)定性最好。

圖6 擋墻各部位最大壓應(yīng)力與格柵層間距的關(guān)系

3.2 位移特征

根據(jù)不同格柵層間距方案,得出了X、Y、Z 三個方向上隨其變化的位移圖,見圖7。由位移圖分析可以看出,在所有方案中,Z 方向位移最大,變化范圍為7.9 mm～14.8 mm,這與擋土墻結(jié)構(gòu)主要受到自重影響的結(jié)論[7]相吻合。隨著格柵層間距的增加,所有方向的位移均呈先減小后增加的趨勢,表明格柵層間距的變化影響結(jié)構(gòu)的整體位移。當(dāng)層間距數(shù)值在0～0.8 m 范圍時,X、Y、Z 三個方向的位移均為減小的趨勢,在層間距0.8 m 時,與0.2 m 和0.6 m 的方案相比,Y 方向位移減少了46.2%和14.9%；當(dāng)層間距數(shù)值在0.8 m～1.2 m 范圍時,X、Y、Z 三個方向位移均為增大的趨勢,在層間距0.8 m 時,與1.0 m 和1.2 m 的方案相比,Y 方向位移平均增幅為60%和31.8%,X 方向和Z 方向位移變化情況與之類似。并且從三向位移與格柵層間距的關(guān)系來看,X 方向位移最為敏感。

圖7 各向位移量與格柵層間距的關(guān)系

4 格柵層間距對堤防滲流影響

圖8 為不同層間距方案下橫截面速度的變化特征。流速對堤防區(qū)間斷面滲流場的穩(wěn)定有重要的影響,堤防的運行需要合理穩(wěn)定的流速。從圖中可以看出,在0.6 m 和0.8 m 的格柵層間距時,堤防橫截面流速較為穩(wěn)定,其余處理的流速波動較大。而且隨著層間距的增大,流速也變快。層間距為0.2 m、0.4 m 時,流速的振幅較大,而層間距為1 m、1.2 m時,整個斷面的流速波動較大,穩(wěn)定性較差。容易出現(xiàn)局部紊亂、渦流等非穩(wěn)定滲流現(xiàn)象。綜合滲流場和靜力場的模擬結(jié)果,認(rèn)為當(dāng)格柵層間距為0.8 m 時,擋土墻運行綜合技術(shù)優(yōu)勢最大。

圖8 橫截面流速變化特征

5 結(jié)論

（1）通過模擬,擋土墻各部位的拉應(yīng)力在層間距超過0.8 m后、拉應(yīng)力下降幅度較小,幾乎處于停滯狀態(tài)。迎水側(cè)面板所受到的拉應(yīng)力最大,踵底板的最大拉應(yīng)力幾乎不受格柵層間距的影響。

（2）擋土墻的最大位移在Z 方向；所有方向上的位移值均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢,在層間距0.8 m 時位移值最小。

（3）層間距設(shè)計參數(shù)與橫截面流速呈正相關(guān),流速不宜過大也不宜過小,應(yīng)保持相對穩(wěn)定的狀態(tài),當(dāng)層間距為0.6 m和0.8 m 時,速度穩(wěn)定性最好。

（4）綜合擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的靜力場與滲流場的模擬結(jié)果,認(rèn)為0.8 m 的格柵層間距為技術(shù)優(yōu)勢最顯著。