基于三維數值分析的某城際鐵路對水利樞紐的安全影響研究

2016-03-23 00:54:14王敬靜劉勇兵貴州省黔南州水利水電勘測設計院貴州都勻558000仙桃市水利水電建筑勘測設計院湖北仙桃4000武漢大學武漢4007

中國農村水利水電 2016年3期

王敬靜，劉勇兵，鄒勇(.貴州省黔南州水利水電勘測設計院貴州都勻 558000；.仙桃市水利水電建筑勘測設計院，湖北仙桃 4000；.武漢大學，武漢 4007)

1 工程概況

某城際鐵路經過江蘇省常州市戚墅堰區時，與該區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構僅19.6 m，兩者勢必會帶來相互影響，兩者位置關系見圖1。為保證城際鐵路橋梁工程和水利樞紐工程的安全建設及運營，通過選取典型地質剖面，采用三維有限元數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系剖面圖(單位：mm)

2 技術路線及研究方案

2.1 分析方法

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

2.2 計算模型

(1)典型剖面段模型。兩根支護樁之間的中平面可以視為橫河向的對稱面(見圖2)，根據對稱性可知，結構對稱面上反對稱的內力與位移為零而正對稱的內力與位移非零，因此在建立有限元模型時，可以按準平面問題進行簡化，即沿橫河向取一定長度范圍為典型代表區域進行計算。

圖2 機廠河三維有限元模型計算范圍及典型剖面代表位置(單位：m)

根據計算要求，取x向為橫河向，y向為順河向，z為豎向，向上為正，x方向為固定約束，y、z方向邊界均為水平鏈桿約束。模型計算范圍為橫向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，土體質量分類界線等進行了細致模擬，共剖分單元2 127個，結點4 440個。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)。計算模型共剖分單元47 609個，節點50 790個，三維網絡及概化有限元模型概況見圖4。

圖4 機廠河三維有限元模型計算模型

2.3 材料參數確定

土層的參數取值見表1。

表1 各土層材料參數

2.4 計算荷載與工況

2.4.1計算荷載

(1)自重荷載，采用自重荷載產生基坑的初始應力場。

(2)河道內水壓力，河道內的水壓力包括靜水壓力和動水壓力。

2.4.2計算工況

計算時考慮以下3種工況：①城際鐵路橋梁墩基基坑開挖，土體應力釋放；②機廠河水利樞紐漲水期；③機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，基坑邊墻出現向基坑內的側移，坑外部分土體隨之發生向坑內移動或向坑內移動的趨勢。基坑側壁在開挖后水平位移沿深度方向呈曲線分布，最大位移發生在基坑邊墻頂部，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，由云圖可知邊墻水平位移主要發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，靠近基坑側壁的位置發生回橋梁基坑開挖后，橋梁基坑底部出現回彈，基坑最大豎向位移為坑底的變形值，坑底變形值呈現拋物線狀，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 扶壁式擋土墻結構內力分析

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構單元軸力變化圖。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。正常運行狀態時，擋土墻底板呈現受拉狀態，所承受的最大拉力為79.1 kN，位于底板最外緣。