基于三維數(shù)值分析的某城際鐵路對水利樞紐的安全影響研究

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(qū)時，與該區(qū)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(shù)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(qū)分布，探討開挖護岸翼墻的變形破壞機理，可能的失穩(wěn)范圍和失穩(wěn)區(qū)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(wěn)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(jù)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(qū)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(jù)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(jié)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(shù)確定

土層的參數(shù)取值見表1。

表1 各土層材料參數(shù)

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(xiàn)向基坑內的側移，坑外部分土體隨之發(fā)生向坑內移動或向坑內移動的趨勢?；觽缺谠陂_挖后水平位移沿深度方向呈曲線分布，最大位移發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)生回橋梁基坑開挖后，橋梁基坑底部出現(xiàn)回彈，基坑最大豎向位移為坑底的變形值，坑底變形值呈現(xiàn)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(tài)時，擋土墻底板呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，所承受的最大拉力為79.1 kN，位于底板最外緣。

圖7 擋土墻結構單元軸力變化曲線

圖8為開挖完成后結構單元剪力變化曲線?；娱_挖后，擋土墻立板剪力值較小，為4.2 kN，位于立板的最底部。正常運行狀態(tài)時，擋土墻底板所承受的最大剪力為225.7 kN。

圖8 擋土墻結構單元剪力變化曲線

圖9為開挖完成后結構單元彎矩變化圖。從圖9中可知，擋土墻立板所承受的最大彎矩為99.85 kPa，位于立板的最底部。正常運行狀態(tài)時，底板所承受的最大拉力為100 kPa。

圖9 擋土墻結構單元彎矩變化曲線

4 水利樞紐工程運行期對工程的影響分析

4.1 漲水工況

當水利樞紐工程水位瞬時漲水至高程5.5 m處，根據(jù)滲流分析結果考慮滲透力，并對水位以下的土體進行弱化，得到如圖10～11所示的位移云圖。由圖可知，河道漲水至5.5 m后，由于滲透力的作用，護岸翼墻變形方向指向邊墻內部，最大水平位移為16.6 mm，發(fā)生在翼墻頂部。

圖10 典型剖面豎向位移云圖

圖11 典型剖面水平位移云圖及矢量圖

4.2退水工況

當水利樞紐工程水位瞬時跌至高程2 m處，根據(jù)滲流分析結果考慮滲透力，并對水位以下的土體進行弱化，得到如圖12～13所示的位移云圖。由圖可知，當河道內水位退水至2 m高程后，由于滲透力的作用，護岸翼墻變形方向指向河道，最大水平位移為5.3 mm，發(fā)生在翼墻底部靠近河道處。

5 結 語

根據(jù)有限元計算結果表明，城際鐵路跨水利樞紐工程采用同步實施橋梁基坑開挖圍護結構后，其施工期對水利樞紐工程所引起的應力及變形在允許范圍之內。工程運營期間，水利樞紐在各工況下的滲流場引起的地基應力及變形對城際鐵路橋梁樁基的安全不會造成影響。本文成果可供類似工程施工方案布置參考。

圖12 典型剖面豎向位移云圖

圖13 典型剖面水平位移云圖及矢量圖

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[1] 華東水利學院．水工設計手冊(第一卷 基礎理論)[M]．北京：水利電力出版社，1983．

[2] SL 265-2001，水閘設計規(guī)范[S]．

[3] 武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室.水力計算手冊[M]．北京：中國水利電力出版社，2006．