京石路改建施工對(duì)南水北調(diào)大寧調(diào)蓄水庫(kù)防滲墻安全影響分析

袁鴻鵠, 張如滿, 趙志江, 孫宇臣, 孫洪升

(北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京　100048)

0　引言

隨著水庫(kù)周邊基礎(chǔ)設(shè)施的不斷興建與改造,防滲墻兩側(cè)及頂面不可避免的遭遇回填土體工程的施工擾動(dòng)與作用,使得防滲墻中的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生變化,原有防滲能力弱化,未來運(yùn)行安全可靠性受到威脅[1-5]。

京石高速公路(五環(huán)路—趙辛店立交段)改建工程京石路路基大部分近平行布置于大寧水庫(kù)西堤已建防滲墻西側(cè),新填筑路基坡頂線與防滲墻距離17～21 m,坡腳線與防滲墻距離僅5～7 m,路基的填筑在塑性防滲墻上方增加了大量附加荷載,可能對(duì)塑性防滲墻的安全造成不利影響。本文依據(jù)京石路現(xiàn)場(chǎng)路基實(shí)際回填施工過程,進(jìn)行了京石路路基填土施工對(duì)大寧水庫(kù)防滲墻影響的安全性評(píng)估分析,分析防滲墻隨回填施工過程的應(yīng)力及變形分布規(guī)律與特性,對(duì)防滲墻的安全性作出評(píng)價(jià)。

1　工程概況

大寧調(diào)蓄水庫(kù)是北京市南水北調(diào)配套工程的重要工程。水庫(kù)位于房山區(qū)長(zhǎng)辛店鎮(zhèn)大寧村北,水庫(kù)左岸是與永定河主河槽分隔的中堤,西堤與現(xiàn)狀京石高速公路路基重合,主、副壩位于庫(kù)區(qū)下游南側(cè),水庫(kù)總庫(kù)容為4 611萬m3。水庫(kù)防滲采取沿庫(kù)區(qū)四周新建垂直塑性混凝土防滲墻7.84 km,其中西堤防滲墻沿京石高速公路橋下橫穿庫(kù)區(qū)后,沿西堤臺(tái)地平行西堤布置,總長(zhǎng)3.22 km,墻厚0.60 m。水庫(kù)最大調(diào)蓄庫(kù)容為3 753萬m3?，F(xiàn)狀大寧水庫(kù)西堤防滲墻位于庫(kù)區(qū)西堤平臺(tái),距京石高速公路東側(cè)坡腳15～20 m。防滲墻厚0.60 m,墻深一般12～18 m,墻底嵌入半膠結(jié)基巖2 m,采用兩鉆一抓法施工,槽段長(zhǎng)6.2 m,墻體為塑性混凝土,設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度2 MPa。地面防滲墻施工導(dǎo)墻高1.0 m,底座寬1.0 m、高0.3 m,底座以上的導(dǎo)墻厚0.4 m,C15鋼筋混凝土澆筑。目前該段防滲墻已施工完成。

京石高速公路是中國(guó)早期一條全封閉全立交式高速公路,連接了北京、涿州、保定和石家莊,是北京西南方向重要的對(duì)外交通走廊。京石高速公路(五環(huán)路—趙辛店立交段)全長(zhǎng)約4.5 km,該段為雙向四車道加連續(xù)停車帶,目前交通量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)通行能力,交通擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重。為此,北京市政府決定對(duì)本段京石路進(jìn)行拓寬改造,路基加寬后為三上三下加硬路肩,全寬33.25 m。

該公路改建工程大寧水庫(kù)庫(kù)區(qū)段,從京石高速公路橋開始(樁號(hào)K9+476)至水庫(kù)主壩右壩肩結(jié)束(樁號(hào)K12+570),總長(zhǎng)度約3 094 m。該公路庫(kù)區(qū)路基改建拓寬段與已建大寧調(diào)蓄水庫(kù)西堤防滲墻近距離平行、交叉段長(zhǎng)約2 247 m(樁號(hào)K10+102～K12+349)[6]。

京石路基擴(kuò)建設(shè)計(jì)方案:本段京石路路基擴(kuò)建,在現(xiàn)狀路基東側(cè)單向東加寬8.25 m,加寬部分仍位于已建防滲墻西側(cè),與防滲墻近平行布置,京石路路基樁號(hào)K10+241～K12+349(防滲墻樁號(hào)XD0+812～XD2+920),新填筑路基坡頂線與防滲墻距離17～21 m,坡腳線與防滲墻距離5～7 m,填筑料以碎石土為主,路基外坡坡比1∶1.5。京石路基施工方案:①路基回填,每層填土厚度約0.3 m;②路基夯實(shí)碾壓,較窄處采用小型設(shè)備或人工夯實(shí),相對(duì)較寬處采用大型設(shè)備夯實(shí)或碾壓設(shè)備壓實(shí)。

2　數(shù)值模型

2.1　計(jì)算模型

模型詳細(xì)模擬了京石高速公路(五環(huán)路—趙辛店立交)及北京市南水北調(diào)配套工程大寧調(diào)蓄水庫(kù)防滲墻,模型大小滿足計(jì)算精度要求。

計(jì)算選取一般路基擴(kuò)寬段典型斷面進(jìn)行分析,斷面位于路基樁號(hào)K10+297處,經(jīng)復(fù)核,京石高速公路(五環(huán)路—趙辛店立交)與北京市南水北調(diào)配套工程大寧調(diào)蓄水庫(kù)防滲墻的最近距離為5.0 m。

京石路堆土及防滲墻的位置關(guān)系如圖1所示,所建立的計(jì)算模型的二維網(wǎng)格模型圖如圖2所示。二維模型長(zhǎng)80 m,垂直向上方向?yàn)閅軸正方向,共劃分四邊形單元3 460個(gè),節(jié)點(diǎn)7 152個(gè)。

圖1　京石路堆土、防滲墻布置圖

圖2　計(jì)算網(wǎng)格模型

2.2　計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《北京南水北調(diào)大寧水庫(kù)初步設(shè)計(jì)工程地質(zhì)勘察報(bào)告》、《北京南水北調(diào)大寧水庫(kù)防滲墻計(jì)算報(bào)告》及以往南水北調(diào)中線工程計(jì)算分析的相關(guān)經(jīng)驗(yàn),計(jì)算時(shí)選用參數(shù)詳見表1。土體及防滲墻采用莫爾庫(kù)侖模型,導(dǎo)墻采用彈性模型。

表1　材料參數(shù)表

2.3　邊界條件及結(jié)構(gòu)荷載

模型側(cè)面和底面為位移邊界,模型兩側(cè)的位移邊界是約束水平移動(dòng);底部邊界為固定邊界,約束其水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)。模型上邊界為地表,為自由邊界。

防滲墻結(jié)構(gòu)所受荷載主要為恒荷載,荷載類型圍巖壓力和結(jié)構(gòu)自重兩種。

京石路改建工程對(duì)防滲墻的作用荷載主要包括堆土自重及土體碾壓機(jī)械荷載兩個(gè)部分。

2.4　施工工序

本次安全性評(píng)估主要進(jìn)行京石路改建工程對(duì)防滲墻的影響分析。由于本影響分析主要考慮京石路改建工程對(duì)防滲墻的附加作用,塑性防滲墻及剛性防滲墻在京石路改建工程施工前已達(dá)到平衡,變形分析中僅考慮了京石路改建工程引起的附加變形,防滲墻原有的變形未予考慮。故此,計(jì)算時(shí)分為三個(gè)計(jì)算步驟:①土體自重平衡;②塑性防滲墻及剛性防滲墻的自重平衡;③清除塑性防滲墻及剛性防滲墻自重平衡下的位移,進(jìn)行京石路堆土模擬。其中,京石路堆土模擬工序共分16步進(jìn)行,具體為:工序1,堆第一層土體 (0～1 m);工序2,碾壓第一層土體;工序3,堆第二層土體(1～2 m);工序4,碾壓第二層土體;工序5,堆第三層土體(2～3 m);工序6,碾壓第三層土體;工序7,堆第四層土體(3～4 m);工序8,碾壓第四層土體;工序9,堆第五層土體(4～5 m);工序10,碾壓第五層土體;工序11,堆第六層土體(5～6 m);工序12,碾壓第六層土體;工序13,堆第七層土體(6～7 m);工序14,碾壓第七層土體;工序15,堆第八層土體 (7～8 m);工序16,碾壓第八層土體。

3　變形結(jié)果分析

3.1　整體變形分析

京石路堆土完成后整體的位移等值線云圖如圖3所示。其中,圖3-a為整體的豎直方向位移等直線云圖,圖3-b為整體的水平方向位移等直線云圖,圖3-c為整體的合位移等直線云圖。京石路堆土變形影響范圍主要位于堆土附近,京石路第一層堆土由于受到后續(xù)堆土荷載及碾壓機(jī)械荷載的反復(fù)作用,變形量最大,最大沉降量為32.89 mm;防滲墻發(fā)生的沉降量較小,最大沉降量為5.85 mm。

圖3　整體位移等值線云圖

3.2　防滲墻變形分析

京石路堆土完成后防滲墻的位移等值線云圖如圖4所示。其中,圖4-a為防滲墻的豎直方向位移等直線云圖,圖4-b為防滲墻的水平方向位移等直線云圖,圖4-c為防滲墻的合位移等直線云圖。由于京石路堆土作用對(duì)防滲墻周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng),防滲墻在水平方向的變形表現(xiàn)為防滲墻上部向堆土一側(cè)移動(dòng),最大移動(dòng)量為4.04 mm,發(fā)生在防滲墻頂部;防滲墻下部向遠(yuǎn)離堆土一側(cè)移動(dòng),最大移動(dòng)量為3.70 mm,發(fā)生在防滲墻中下部;防滲墻在豎直方向的變形表現(xiàn)為整體沉降,最大沉降量為5.85 mm,發(fā)生在靠近堆土一側(cè)的防滲墻中下部圖4-a。由于京石路堆土距防滲墻較遠(yuǎn)及卵礫石具有較大的變形模量,京石路堆土作用對(duì)防滲墻變形影響較小,防滲墻最大變形量為7.11 mm。

圖4　防滲墻位移等值線云圖

4　應(yīng)力結(jié)果分析

在第3節(jié)中位移等值線云圖的數(shù)值皆為京石路堆土單一因素所形成,這是為了定量評(píng)價(jià)京石路堆土影響所采取的一種顯示方式;而本節(jié)中應(yīng)力云圖的數(shù)據(jù)皆為應(yīng)力的最終狀態(tài),是所有因素綜合疊加形成的結(jié)果,其數(shù)值的正負(fù)分別表示拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。

京石路堆土完成后防滲墻的應(yīng)力云圖如圖5所示。其中,圖5-a為防滲墻最大主應(yīng)力等值線云圖,圖5-b為防滲墻最小主應(yīng)力等值線云圖。

由圖5可知,京石路堆土作用下,防滲墻的最大壓應(yīng)力值出現(xiàn)在防滲墻的底部,其量值為777.14 kPa;拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在防滲墻頂部,其最大值為4.61 kPa。

圖5　防滲墻應(yīng)力云圖

圖6與圖5對(duì)比可得出京石路堆土對(duì)防滲墻產(chǎn)生的附加應(yīng)力。京石路堆土前后,防滲墻最大及最小主應(yīng)力出現(xiàn)的位置沒有改變,其中,最大主應(yīng)力出現(xiàn)在防滲墻的頂部,最小主應(yīng)力出現(xiàn)在防滲墻底部;由于京石路堆土作用,防滲墻的最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力量值發(fā)生改變,防滲墻最大主應(yīng)力從0.48 kPa增大到4.61 kPa,增加了4.13 kPa;最大壓應(yīng)力從399.41 kPa增大到777.14 kPa,增加了377.73 kPa。

圖6　初始狀態(tài)下防滲墻應(yīng)力云圖

京石路堆土作用下,防滲墻的最大拉應(yīng)力值4.61 kPa及拉應(yīng)力增加幅度值4.13 kPa均遠(yuǎn)小于防滲墻設(shè)計(jì)的抗拉強(qiáng)度,防滲墻的最大壓應(yīng)力值777.14 kPa及壓應(yīng)力增加值377.73 kPa也遠(yuǎn)小于防滲墻設(shè)計(jì)的抗壓強(qiáng)度2 MPa。

綜上,京石路堆土作用對(duì)于防滲墻的應(yīng)力影響不大,防滲墻應(yīng)力處于安全狀態(tài)。

5　結(jié)語(yǔ)

(1)防滲墻在水平方向的變形表現(xiàn)為防滲墻上部向堆土一側(cè)移動(dòng),最大移動(dòng)量為4.04 mm,發(fā)生在防滲墻頂部;防滲墻下部向遠(yuǎn)離堆土一側(cè)移動(dòng),最大移動(dòng)量為3.70 mm,發(fā)生在防滲墻中下部;防滲墻在豎直方向的變形表現(xiàn)為整體沉降,最大沉降量為5.85 mm,發(fā)生

在靠近堆土一側(cè)的防滲墻中下部。由于京石路堆土距防滲墻較遠(yuǎn)及卵礫石具有較大的變形模量,京石路堆土作用對(duì)防滲墻變形影響較小,防滲墻最大變形量為7.11 mm。

(2)防滲墻的最大拉應(yīng)力值4.61 kPa及拉應(yīng)力增加幅度值4.13 kPa均遠(yuǎn)小于防滲墻設(shè)計(jì)的抗拉強(qiáng)度,防滲墻的最大壓應(yīng)力值777.14 kPa及壓應(yīng)力增加值377.73 kPa也遠(yuǎn)小于防滲墻設(shè)計(jì)的抗壓強(qiáng)度2 MPa。京石路堆土作用對(duì)于防滲墻的應(yīng)力影響不大,防滲墻應(yīng)力處于安全狀態(tài)。

(3)綜合變形及應(yīng)力分析結(jié)果可以得出:基于當(dāng)前的設(shè)計(jì)方案及施工方案,京石高速公路(五環(huán)路—趙辛店立交段)改建工程對(duì)大寧調(diào)蓄水庫(kù)防滲墻的影響較小,防滲墻處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

參考文獻(xiàn):

[1]簡(jiǎn)祥,何江達(dá),蘇向震,等.沙灣水電站深基坑塑性混凝土防滲墻應(yīng)力及變形研究[J].紅水河,2009,28(2):33-37.

[2]劉博,李海波,馮海鵬,等.強(qiáng)夯施工振動(dòng)對(duì)海工防滲墻影響試驗(yàn)及安全監(jiān)控[J].巖土力學(xué),2012(10):3073-3080.

[3]蔣凱樂,李云鵬,張如滿,等.塑性混凝土防滲墻土反力系數(shù)反演[J].巖土力學(xué),2012(S2):389-394.

[4]夏祥,李海波,于崇.爆炸振動(dòng)對(duì)塑性混凝土防滲墻的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011(6):1142-1148.

[5]王榮魯,竇鐵生,熊歡,等.北京大寧水庫(kù)副壩防滲墻應(yīng)力變形有限元分析[J].水利水電技術(shù),2010(3):46-49.

[6]袁鴻鵠,張如滿.京石高速公路(五環(huán)路—趙辛店立交段)改建工程對(duì)北京市南水北調(diào)配套工程大寧調(diào)蓄水庫(kù)西堤防滲墻工程安全性評(píng)估報(bào)告[R].北京：北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2010.