南水北調(diào)中線有壓箱涵滲漏力學(xué)特性研究①

付清凱,劉衛(wèi)其,張 登

(1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局天津分局，天津 300000；2.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401)

0 引 言

天津干線工程是南水北調(diào)中線一期工程的重要組成部分，是解決天津市水資源緊缺、保證國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略性工程。天津干線目前整體運(yùn)行狀態(tài)良好，基本處于安全狀態(tài)下，但在變形縫部位出現(xiàn)了多處滲水的情況，為了解箱涵在滲漏條件下的運(yùn)行狀態(tài)，針對(duì)滲漏處箱涵結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行了研究[1-2]。

1 箱涵滲漏模擬簡(jiǎn)介

1.1 涵滲漏情況

箱涵在運(yùn)行過程中，部分地區(qū)出現(xiàn)表面出水現(xiàn)象，滲漏水流出表面，影響了箱涵周圍的土體，給箱涵安全運(yùn)行帶來隱患。經(jīng)勘察分析發(fā)現(xiàn)，于箱涵變形縫處出現(xiàn)滲漏點(diǎn)，導(dǎo)致箱涵內(nèi)水在承壓條件下發(fā)生滲漏，初步排查，箱涵變形縫處滲漏點(diǎn)分布無明顯規(guī)律。

1.2 計(jì)算模擬方案

1.2.1 箱涵結(jié)構(gòu)

天津段的三孔箱涵，單節(jié)箱涵長(zhǎng)度15m，孔口尺寸為4.4×4.4m，箱涵材質(zhì)鋼筋混凝土，計(jì)算時(shí)采取C30混凝土參數(shù)，箱涵斷面計(jì)算模型圖如圖1。

圖1 箱涵模型斷面圖

1.2.2 模擬方案

運(yùn)用FLAC3D靈活地進(jìn)行計(jì)算模擬[3]，其單元材料采用線性或非線性模型，材料發(fā)生屈服后，能夠發(fā)生相應(yīng)的變形或移動(dòng)，在采用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)[4]的情況下，模擬能夠非常準(zhǔn)確地表現(xiàn)材料的塑性破壞和流動(dòng)[5]。

為充分模擬箱涵滲漏情況，將箱涵滲漏點(diǎn)分布于變形縫上，其滲漏點(diǎn)位(頂部、側(cè)面、底部、角部)為四個(gè)，具體位置如圖2。模型土體的左右邊界及下邊界為法向零位移，零速率的不可透水邊界，土體上邊界無約束可透水的邊界，箱涵邊界為不可透水邊界。

圖2 箱涵滲漏點(diǎn)

結(jié)合參考地質(zhì)勘察報(bào)告中的土層參數(shù)，給出每個(gè)地區(qū)進(jìn)行計(jì)算模擬時(shí)的參數(shù)如表1。若考慮回填土，參考相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)，可以考慮取其滲透系數(shù)為正常條件下的2-3倍。

表1 土層計(jì)算參數(shù)表

2 模擬結(jié)果

2.1 三維模擬模型

計(jì)算時(shí)在水流方向取15m長(zhǎng)度，橫向40m計(jì)算寬度，垂直地平方向取20m，其三維模型如圖3。

圖3 三維模型圖

2.2 滲漏模擬分析

進(jìn)行滲漏模擬時(shí)，以單一點(diǎn)位滲漏為前提，主要分析不同點(diǎn)位滲漏對(duì)箱涵周圍土體及箱涵結(jié)構(gòu)的影響，給出圖2中A位置在多種工況下的模擬分析結(jié)果。

2.2.1 非回填土條件下A位置滲漏模擬結(jié)果及分析

該情況下的模擬分析主要考慮，箱涵中間底部開始滲漏，箱涵周圍土當(dāng)做非回填土，非回填土的滲透系數(shù)相差較小，滲漏水主要在重力作用下向下滲流，直至相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

如圖4，滲漏時(shí)間50.2d，飽和區(qū)域主要分布在箱涵下部。箱涵中間部位底部產(chǎn)生裂縫，產(chǎn)生滲漏，滲漏范圍逐漸向下向周圍擴(kuò)散，由于周圍土的滲透系數(shù)相差不大，滲漏水沒有明顯的滲流傾向，因此主要在重力作用下向下流動(dòng)，最終達(dá)到滲流范圍擴(kuò)散很慢時(shí)，計(jì)算停止。如圖5，土體浸水軟化造成土體抗剪強(qiáng)度及黏聚力下降，在地應(yīng)力重分部及相應(yīng)的土體重力作用下，軟化土體產(chǎn)生蠕動(dòng)，導(dǎo)致箱涵上部產(chǎn)生最大豎向位移為4.27cm，位移分布區(qū)域呈現(xiàn)明顯對(duì)稱形狀。

圖4 土體飽和度分布圖

圖5 箱涵及土體豎向位移圖

如圖6，滲漏水的滲流范圍相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，箱涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，最大主應(yīng)力為1.65Mpa，位于箱涵中間部位，箱涵處于安全狀態(tài)。

圖6 箱涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

2.2.2 回填土條件下A位置滲漏模擬結(jié)果及分析

該情況下的模擬分析主要考慮，箱涵中間底部開始滲漏，箱涵周圍土體是回填土，回填土相應(yīng)的滲透系數(shù)相對(duì)于原狀土來說更高，因此滲漏水容易在回填土區(qū)域產(chǎn)生滲流。

如圖7，為滲漏時(shí)間進(jìn)行到23.5d時(shí)的土體飽和度分布圖，此時(shí)飽和區(qū)域主要分布在相應(yīng)的回填土區(qū)域。箱涵中間部位底部產(chǎn)生裂縫，滲漏水向滲透系數(shù)較大的區(qū)域流動(dòng)，逐漸向上發(fā)展，直至地表出水。如圖8，當(dāng)箱涵底部發(fā)生滲漏后，滲漏水向箱涵周圍回填土區(qū)域逐漸發(fā)展，土體浸水軟化造成土體抗剪強(qiáng)度及黏聚力下降，在地應(yīng)力重分部及土體重力作用下，軟化土體產(chǎn)生蠕動(dòng)，最大位移位于箱涵角點(diǎn)外部，為4.52cm，位移區(qū)域呈對(duì)稱形狀。

圖7 土體飽和度分布圖

圖8 箱涵及土體豎向位移圖

如圖9，為滲漏水流出地表后的箱涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為1.15MPa，出現(xiàn)在箱涵中間部位，此時(shí)箱涵處于安全狀態(tài)。

圖9 箱涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

2.2.3 多位置多工況條件下滲漏模擬結(jié)果

在進(jìn)行箱涵模擬計(jì)算時(shí)，除考慮了如圖2的多個(gè)滲漏位置外，還考慮了土質(zhì)及底部墊層的影響，現(xiàn)將各種工況下的模擬結(jié)果匯總?cè)绫?，前文中的算例分別對(duì)應(yīng)編號(hào)3、1。

表2 多工況模擬計(jì)算匯總表

3 結(jié) 語

箱涵滲漏時(shí)滲漏水對(duì)周圍土體產(chǎn)生作用，使土體強(qiáng)度變低，進(jìn)而造成土體發(fā)生變形及沉降，對(duì)箱涵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。在一定時(shí)間內(nèi)，土體產(chǎn)生位移對(duì)箱涵本身位移的影響不大，箱涵的位移相對(duì)很小，并且其應(yīng)力普遍小于2MPa，處于混凝土應(yīng)力限值以下，因此可以判斷，在文中模擬的情況下，箱涵處于安全狀態(tài)。在長(zhǎng)時(shí)間滲漏情況下，對(duì)箱涵結(jié)構(gòu)的影響不可忽略，建議進(jìn)行補(bǔ)漏修補(bǔ)操作。