復(fù)雜覆蓋層地基上扭面漸變式擋土墻穩(wěn)定性分析

熊 瑜，張正香

（1.重慶市巴南區(qū)水利局，重慶 巴南 401320；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

隨著大渡河干流、金沙江、尼羅河、密西西比河等水能資源的進(jìn)一步開發(fā)，以復(fù)雜覆蓋層地基為代表的地質(zhì)問題日益凸顯。復(fù)雜覆蓋層地基分布無規(guī)律，結(jié)構(gòu)松散，易產(chǎn)生下沉拉裂等事故，影響工程安全。印度河西水東調(diào)的某關(guān)鍵工程［1］其覆蓋層高達(dá)230 m，運(yùn)行初期鋪蓋出現(xiàn)大量的裂縫、沉陷坑，需返工處理才重新正常運(yùn)行，加大了工程投資，延誤了工期，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

擋土墻是抵擋土壓力、防止土體坍塌的建筑物，是水利工程的重要組成部分，由于扭面漸變式擋土墻過流條件好、工程量小，工程設(shè)計(jì)常采用扭面漸變式擋土墻，但其也有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、應(yīng)力分布不均勻的特點(diǎn)。復(fù)雜覆蓋層地基上的扭面漸變式擋土墻應(yīng)用日趨廣泛，且其安全穩(wěn)定問題復(fù)雜多變，需予以重視。

目前，除少數(shù)學(xué)者從扭面擋土墻的施工技術(shù)問題進(jìn)行研究［2］外，對于復(fù)雜覆蓋層地基上扭面漸變式擋土墻的穩(wěn)定安全問題研究還較少涉及。

本文以某中型水利工程A擋土墻為算例，開展復(fù)雜覆蓋層地基上的扭面漸變式擋土墻穩(wěn)定性分析。首先采用理論公式法研究扭面漸變式擋土墻典型剖面在不同工況下的穩(wěn)定性，以抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc表征［3］；再采用有限元法研究扭面漸變式擋土墻與復(fù)雜覆蓋層地基整體在不同工況下的穩(wěn)定性，以應(yīng)力分布情況進(jìn)行量化；最后對兩種研究方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 理論公式法與有限元法原理

1.1 理論公式法

理論公式法是將A擋土墻簡化，通過選取典型剖面，根據(jù)NB/T 35023—2014《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算土基上沿閘室基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，以其是否小于允許安全系數(shù)來判別擋土墻的穩(wěn)定性。土基上沿閘室基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式：

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為基礎(chǔ)底面與地基之間的摩擦系數(shù)；∑G為作用于基礎(chǔ)底面上的全部豎向荷載；∑H為作用于基礎(chǔ)底面上的全部水平向荷載。

作用在A擋土墻上的主要荷載有：擋土墻自重，上下游靜水壓力、水重、揚(yáng)壓力、土重、土壓力、淤沙壓力、地震荷載。A擋土墻穩(wěn)定性分析的計(jì)算工況和計(jì)算荷載如表1所示。

表1 A擋土墻計(jì)算工況及計(jì)算荷載

表2 閘址區(qū)土層物理力學(xué)參數(shù)

表3 A擋土墻理論公式計(jì)算結(jié)果

表4 貼坡段結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值 MPa

由于A擋土墻（扭面漸變式擋土墻）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剖面各不相同，體型差異較大，難以確定安全穩(wěn)定性最小的剖面，通過理論公式法難以確定A擋土墻的最大基底應(yīng)力。為明確A擋土墻的最大應(yīng)力，本文采用有限元法對A擋土墻和復(fù)雜覆蓋層地基進(jìn)行整體研究分析，論證了A擋土墻的穩(wěn)定性。

1.2 有限元法

本文基于ABAQUS大型三維有限元軟件進(jìn)行研究分析，建立A擋土墻與復(fù)雜覆蓋層地基三維模型并進(jìn)行多個(gè)工況下的穩(wěn)定計(jì)算，以其應(yīng)力峰值是否小于應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)和地基允許承載力來判別穩(wěn)定性，其中，有限元法計(jì)算工況與理論公式法一致。根據(jù)DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，混凝土承載能力極限狀態(tài)表達(dá)式為：

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.0；ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，分別取1.0、0.95和0.85；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，按DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.2.1，當(dāng)結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土?xí)r，取1.2；S為承載能力極限狀態(tài)的作用效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值；R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計(jì)值。

表5 扭面漸變段結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值 MPa

表6 復(fù)雜覆蓋層地基應(yīng)力峰值 MPa

2 算例理論公式計(jì)算與有限元計(jì)算分析

2.1 算例工程概況

某中型水利工程位于木里河干流，工程大壩為攔河閘壩，閘址區(qū)河床覆蓋層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，Ⅱ級階地覆蓋層厚達(dá)54～56 m，在現(xiàn)今河床部位覆蓋層厚度約為30 m。按其物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征和成因類型，由老至新可分四層，各層在不同部位分布（見表2）。

第①層：冰水堆積（fglQ3）砂土卵（碎）礫石層，主要?dú)埩粲诤哟驳撞浚?.0～13.0 m不等。

第②層：沖積堆積（alQ14）漂卵石層，主要分布于左岸Ⅱ級階地沖洪積堆積物之下，厚8.0～13.5 m。

第③層：沖洪積堆積（al+plQ4）含漂（塊）碎（卵）礫石土層，閘址區(qū)左岸Ⅱ級階地及河床中連續(xù)分布。在階地部位厚度約35 m，在現(xiàn)今河床部位厚度一般12.5～18.0 m。

第④層：沖積堆積（alQ24）含漂砂卵（碎）礫石層，分布于現(xiàn)代河床表層，厚2.5～6.0 m。

此外，分布于兩岸坡腳的崩坡積（col+dlQ4）孤塊碎石（土），厚度5.0～20.0 m，結(jié)構(gòu)松散，架空嚴(yán)重。

某中型水利工程采用引水式開發(fā)方式，從右至左依次為右岸擋水壩、泄洪閘、沖沙閘和左岸取水口兼擋水壩，取水口側(cè)向布置于河床左岸，緊鄰沖沙閘。A扭面漸變式擋土墻布置在取水口清污平臺壩段的上游側(cè)，從清污平臺上游側(cè)起，采用半重力式，墻頂高程2 215.50m，下游坡比為1∶0.5，向上游漸變?yōu)橘N坡式。A擋土墻平面布置與剖面（見圖1～3）。

圖1 平面布置示意（單位：m）

圖2 貼坡式擋土墻典型剖面示意（單位：m）

圖3 重力式擋土墻典型剖面示意（單位：m）

2.2 理論公式計(jì)算及成果分析

理論公式計(jì)算中，在擋土墻貼坡段、扭面漸變段、重力式段分別選取1～2個(gè)典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，A擋土墻典型剖面如圖4所示，穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表3。

分析理論公式計(jì)算結(jié)果，可知在各工況下，A擋土墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于允許安全系數(shù)，滿足規(guī)范要求，典型剖面均安全穩(wěn)定。貼坡段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最大，安全穩(wěn)定性較高；扭面漸變段（剖面C）的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小，安全穩(wěn)定性較低。由此可見，扭面漸變段的安全穩(wěn)定富裕度最小，且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剖面各不相同，體型差異較大，難以確定安全穩(wěn)定性最小的剖面。因此，扭面漸變段是A擋土墻最危險(xiǎn)的部位，為保證復(fù)雜覆蓋層地基上扭面漸變式擋土墻的安全穩(wěn)定，需要采用有限元法對A擋土墻進(jìn)行整體研究分析。

2.3 有限元計(jì)算及成果分析

有限元計(jì)算中，采用大型三維有限元軟件ABAQUS，對A擋土墻和復(fù)雜覆蓋層地基建立三維模型并進(jìn)行多個(gè)工況下的穩(wěn)定計(jì)算及研究分析。A擋土墻按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，復(fù)雜覆蓋層地基三維模型計(jì)算范圍為：A擋土墻沿順?biāo)飨騼蓚?cè)各延長30 m；沿A擋土墻墻面到墻背方向延長45 m，沿A擋土墻墻背到墻面方向延長30 m；鉛垂向取A擋土墻建基面以下45 m。復(fù)雜覆蓋層地基計(jì)算參數(shù)根據(jù)表2輸入，各工況荷載根據(jù)表1計(jì)入。為了盡可能真實(shí)準(zhǔn)確地模擬A擋土墻復(fù)雜覆蓋層地基的地質(zhì)地形特點(diǎn)，復(fù)雜覆蓋層地基各層面位置均與實(shí)際勘測情況保持一致。A擋土墻三維計(jì)算模型網(wǎng)絡(luò)劃分示意［4］如圖5所示。A擋土墻與復(fù)雜覆蓋層地基有限元計(jì)算結(jié)果見表4～6。

根據(jù)A擋土墻與復(fù)雜覆蓋層地基的有限元計(jì)算結(jié)果可知：

A擋土墻壓應(yīng)力峰值均小于其壓應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)值，且壓應(yīng)力峰值均發(fā)生在擋土墻與地基交接處。各工況下，扭面漸變段的壓應(yīng)力峰值均大于貼坡段。

A擋土墻出現(xiàn)了一定范圍的拉應(yīng)力分布，各工況下，扭面漸變段的拉應(yīng)力峰值均大于貼坡段。

從順?biāo)飨蚩?，貼坡段和扭面漸變段最大順?biāo)飨蚶瓚?yīng)力均發(fā)生在擋土墻墻面與臺階交接處，拉應(yīng)力峰值分別為0.95 MPa和0.97 MPa，拉應(yīng)力峰值小于拉應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)值。

從垂直水流向看，貼坡段最大垂直水流向拉應(yīng)力發(fā)生在墻面1/3高程處，拉應(yīng)力峰值0.51 MPa，未超過其拉應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)值；扭面漸變段最大垂直水流向拉應(yīng)力發(fā)生在擋土墻墻背與地基交接處，拉應(yīng)力峰值為1.49 MPa，拉應(yīng)力峰值大于拉應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)值，但拉應(yīng)力峰值較小，拉應(yīng)力深度較小，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算值配筋即可滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求。

從鉛直向看，貼坡段最大鉛垂向拉應(yīng)力發(fā)生在擋土墻墻面與臺階交接處，拉應(yīng)力峰值1.08 MPa，未超過其拉應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)值；扭面漸變段最大鉛垂向向拉應(yīng)力發(fā)生在擋土墻體頂部，拉應(yīng)力峰值為1.12 MPa，拉應(yīng)力峰值大于拉應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)值，但拉應(yīng)力峰值較小，拉應(yīng)力深度較小，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算值配筋即可滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求。

復(fù)雜覆蓋層地基應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力峰值在0.02～0.45 MPa之間，地基最大壓應(yīng)力峰值為0.45 MPa，出現(xiàn)在上游Ⅲ類基巖面頂部，地基壓應(yīng)力均小于壩基允許承載力。

綜上所述，有限元計(jì)算中，A擋土墻與復(fù)雜覆蓋層地基基本穩(wěn)定。

2.4 穩(wěn)定性分析

理論公式計(jì)算中，A擋土墻4個(gè)典型剖面在各工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于允許安全系數(shù)，滿足規(guī)范要求，典型剖面均安全穩(wěn)定。其中，扭面漸變段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小，安全穩(wěn)定富裕度最小，且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剖面各不相同，體型差異較大，難以確定安全穩(wěn)定性最小的剖面。需要采用有限元法對A擋土墻進(jìn)行整體研究分析。

有限元計(jì)算中，各工況下A擋土墻和復(fù)雜覆蓋層地基應(yīng)力分布符合一般分布規(guī)律：A擋土墻與地基均為壓應(yīng)力，其壓應(yīng)力峰值均小于其壓應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)值，其中，扭面漸變段的壓應(yīng)力峰值均大于貼坡段，地基基底未出現(xiàn)拉應(yīng)力；A擋土墻結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定范圍的拉應(yīng)力分布，其中，扭面漸變段的拉應(yīng)力峰值均大于貼坡段，貼坡段的拉應(yīng)力峰值均未超過其應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)值，扭面漸變段拉應(yīng)力峰值部分超過其應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)值，但拉應(yīng)力峰值量值較小，拉應(yīng)力深度較小，小范圍的拉應(yīng)力超過了拉應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)值，通過對扭面漸變段配筋的即可解決其結(jié)構(gòu)安全問題。

由此可見，復(fù)雜覆蓋層地基上的A擋土墻基本穩(wěn)定，扭面漸變段是A擋土墻最危險(xiǎn)的部位，需要配筋以滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

3 結(jié)束語

（1）復(fù)雜覆蓋層地基上的A扭面漸變式擋土墻基本穩(wěn)定。在復(fù)雜覆蓋層地基上設(shè)計(jì)扭面漸變式擋土墻是可行的。

（2）A擋土墻扭面漸變段比貼坡段安全富裕度低，且扭面漸變段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是擋土墻最危險(xiǎn)的部位，需特別注意。

（3）對于復(fù)雜覆蓋層地基上的扭面漸變式擋土墻，建議同時(shí)采用理論公式法和有限元計(jì)算法進(jìn)行分析研究，這樣更利于擋土墻的安全。