陳華根

(分宜縣彰湖水庫管理所，江西 分宜 336600)

1 工程背景

彰湖水庫位于江西省分宜縣的高嵐鄉(xiāng)彰湖村贛江水系袁河支流洋江河水干流上，壩址以上控制流域面積11.20 km2，引流面積15.83 km2，總庫容1658萬m3，設(shè)計灌溉面積0.13萬hm2。是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水利樞紐工程。水庫主壩于1959年10月動工興建，為均質(zhì)土壩，壩頂高程達128.1 m，最大壩高8.1 m。水庫共建有副壩9座。壩頂高程都在129.6 m以下。水庫在建成之后經(jīng)歷過多次除險加固和續(xù)建加固擴建。由于地方配套資金不到位，水庫還有部分主體項目的除險加固未實施；其中，張建副壩的壩下灌溉涵管建成于1966年，為混凝土預(yù)制管，管徑2.0 m，進口為斜拉閘門控制，灌溉任務(wù)20 hm2，在經(jīng)過多年使用之后，涵管老化變形、破裂、漏水，因此在1997年被完全堵塞。2002年除險加固進行了拆除重建設(shè)計但未實施。該涵管進口段長期漏水，2019年汛期上游壩坡涵管頂部出現(xiàn)跌窩的險情。因此加固設(shè)計對涵管進行原址拆除重建。鑒于涵管頂部出現(xiàn)跌窩，因此采用開挖填筑的施工方式?；诖耍舜窝芯坎捎糜邢拊治龅姆绞?，對涵管的受力影響因素進行分析，并據(jù)此提出相應(yīng)的工程建議[1]。

2 有限元計算模型

2.1 計算分析方案

在穿越堤壩的涵管結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要保證其具有足夠的強度和穩(wěn)定性，保證其后期的安全穩(wěn)定運行。在這方面，涵管頂部的垂直土壓力影響十分重要，而其影響因素又比較復(fù)雜，與填土性質(zhì)和厚度，埋管材料、邊界條件和地基條件均有密切關(guān)系?；诖耍舜窝芯窟x擇Midas/GTS有限元軟件進行計算模型的構(gòu)建，展開各種不同因素的影響分析，為工程設(shè)計和建設(shè)提供有益的借鑒和支持。Midas/GTS是將通用有限元分析方法和巖土結(jié)構(gòu)的專業(yè)性相結(jié)合開發(fā)出來的一款適合巖土和隧道結(jié)構(gòu)分析的有限元軟件。其優(yōu)勢是可以進行全面的巖土領(lǐng)域計算分析，具有高效的前處理模塊和專業(yè)化的單元庫和本構(gòu)模型，可以為用戶提供15種通用本構(gòu)模型，同時也支持用戶自定義本構(gòu)模型，十分適合巖土工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)、滲流、固結(jié)和穩(wěn)定性分析。因此研究中選擇Midas/GTS軟件進行有限元計算模型的構(gòu)建[2]。

2.2 有限元模型的構(gòu)建

根據(jù)涵管施工的相關(guān)技術(shù)規(guī)定，其周圍和上部的填土夯實度需要達到土體最大夯實度的95%。顯然，在一般的施工條件下，涵管兩側(cè)及上部的填土并不會達到最大狀態(tài)。雖然按照相關(guān)理論，填土屬于典型的非線性壓縮體，其變形模量與應(yīng)力狀態(tài)之間存在十分明顯的關(guān)系。但是土體的塑像變形區(qū)與其他材料相比很小，其理論計算值和實測值相對比較接近，因此在計算過程中將涵管周邊的填土體視為線彈性介質(zhì)，同時將涵管視為置于彈性介質(zhì)中的梁結(jié)構(gòu)。然后沿著涵管的縱向垂直截取一定長度的涵管，將研究對象轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變問題進行處理。在網(wǎng)格剖分過程中，選擇PLANE42平面4節(jié)點單元，整個模型劃分為11 675 個網(wǎng)格單元，12 247個網(wǎng)格節(jié)點[3]。

2.3 計算參數(shù)

在幾何模型的構(gòu)建過程中，對模型的兩側(cè)邊界施加水平位移約束，對模型的底部施加全位移約束，模型的表面為自由邊界條件，不施加位移約束。在模擬計算過程中，假設(shè)填土的壓縮變形在填土過程中完成，不考慮時間維度的土體固結(jié)變形影響，也就是每層填土都給上層填土施加一個自重荷載，同時引起相應(yīng)的位移增量變形。在填筑到某一高度時，其下部土體的位移和應(yīng)力場不再發(fā)生變化[4]。此次研究中涉及的材料主要是黏性回填土、大壩填筑土、粉質(zhì)黏土基土和管涵混凝土材料，結(jié)合現(xiàn)場取樣試驗結(jié)果和相關(guān)研究成果，確定模型材料的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

3 計算結(jié)果與分析

3.1 地基剛度

在模擬計算過程中，保持開挖溝槽的坡度為0.7、底寬為6 m不變，設(shè)置地基剛度為大壩基土彈性模量的1倍、2倍、3倍、4倍、5倍，利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型對涵管頂土壓力進行計算。根據(jù)計算結(jié)果，繪制出如圖1所示的不同地基剛度條件下，涵管頂土壓力變化曲線。由圖可以看出，在不同地基剛度條件下，涵管的頂土存在比較顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且呈現(xiàn)出中間偏大，向兩側(cè)逐漸減小的變化特點[5]。并且分布并不十分均勻。從同一部位不同地基剛度的計算結(jié)果來看，當(dāng)?shù)鼗鶆偠戎递^小時，涵管頂土壓力隨著地基剛度的增大而顯著減小。但是，當(dāng)?shù)鼗鶆偠却笥趬位鶊D彈性模量的3倍時，頂土壓力的變化并不明顯。由此可見，增加地基剛度有利于減小涵管頂土壓力，但是效果會隨著地基剛度的增加而明顯減弱。

圖1 頂土壓力變化曲線

3.2 溝槽寬度

在模擬計算過程中，保持開挖溝槽的坡度為0.7地基彈性模量不變，設(shè)置4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、10 m、11 m、12 m等9種不同的溝槽底寬，利用構(gòu)建的有限元模型對不同溝槽底寬條件下的涵管頂土壓力進行計算。根據(jù)計算結(jié)果，繪制出如圖2所示的涵管頂土壓力隨溝槽底寬的變化曲線。由圖可知，溝槽寬度是涵管頂土壓力的重要影響因素，隨著溝槽寬度的增大，頂土壓力值也呈現(xiàn)出不斷增大的變化特點，且表現(xiàn)為近似線性關(guān)系。由此可見，溝槽的寬度越大，其附加應(yīng)力值也就越大，并造成涵管頂土壓力系數(shù)的不斷增大[6-8]。

圖2 頂土壓力隨溝寬變化曲線

3.3 溝槽坡度

保持溝底寬6 m和地基彈性模量不變，設(shè)置0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1等9種不同的溝槽坡度，利用構(gòu)建的有限元模型對不同溝槽坡度條件下的涵管頂土壓力進行計算。根據(jù)計算結(jié)果，繪制出如圖3所示的涵管頂土壓力隨溝槽坡度的變化曲線。由圖可知，涵管的頂土壓力隨著溝槽坡度的增大而減小并逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)溝槽的坡度<0.7時，涵管的頂土壓力隨著坡度的增大而迅速減小，當(dāng)溝槽的坡度>0.7時，隨著溝槽坡度的增大涵管的頂土壓力減小比較緩慢。由于在底寬不變的情況下，增大坡度會顯著增加開挖工程量。因此，最佳坡度應(yīng)該以0.7左右為宜。

圖3 頂土壓力隨溝槽坡度變化曲線

3.4 加固區(qū)剛度

在涵管工程施工過程中，涵管下部加固區(qū)的剛度也會對涵管受力情況產(chǎn)生顯著影響?；诖耍芯恐斜３衷荚O(shè)計參數(shù)不變，設(shè)置0 MPa、50 MPa、100 MPa、150 MPa、200 MPa、250 MPa、300 MPa、350 MPa、400 MPa等9種不同的加固區(qū)剛度值，利用構(gòu)建的有限元模型對涵管頂土壓力值進行模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果，繪制出如圖4所示的頂土壓力隨加固區(qū)剛度的變化曲線。由圖可知，隨著加固區(qū)剛度的增大，頂土壓力呈現(xiàn)出迅速增大并逐漸趨于穩(wěn)定的變化特點。具體來看，當(dāng)加固區(qū)剛度<200 MPa時，頂土壓力的增加比較迅速，當(dāng)加固區(qū)剛度>200 MPa時，頂土壓力值逐步趨于穩(wěn)定。

圖4 頂土壓力隨加固區(qū)剛度變化曲線

4 結(jié) 論

此次研究以具體工程為背景，利用Midas/GTS軟件構(gòu)建有限元模型，研究壩下涵管施工中頂部垂直土壓力的影響。結(jié)果顯示，管涵頂土壓力隨著地基剛度和溝槽坡度的增大而減小，隨著溝槽寬度和加固區(qū)剛度的增大而增大。根據(jù)研究結(jié)果，建議在管涵工程施工中將垂直土壓力作為設(shè)計中考慮的重點；選擇溝埋式施工方式時應(yīng)盡量減小溝槽的寬度和坡度；此外，在工程設(shè)計中需要掌握好加固區(qū)剛度，必要時可以對涵管兩側(cè)的地基進行必要的處理。