塑性混凝土在中東地區(qū)大型船塢防滲墻中應(yīng)用的模擬研究

李輝，阮心，劉洪濤

（中國(guó)電建集團(tuán)山東電力建設(shè)有限公司，濟(jì)南 250102）

1 引言

由中國(guó)電建集團(tuán)山東電力建設(shè)有限公司所承建的沙特薩勒曼國(guó)王國(guó)際綜合港務(wù)設(shè)施項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)王港項(xiàng)目”）是沙特“2030 愿景”國(guó)家改革計(jì)劃的重要組成部分。該項(xiàng)目位于沙特東部阿拉伯灣沿岸，總面積約4 500 m×2 500 m，共有3 個(gè)干船塢，干船塢下設(shè)計(jì)有防滲墻，用以減少周邊水系向干船塢中的滲流。

塑性混凝土防滲墻具有變形模量小、墻體應(yīng)力小、不易出現(xiàn)裂縫、節(jié)省大量水泥、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。雖然塑性混凝土防滲墻在國(guó)內(nèi)外已有了較為廣泛的應(yīng)用，但是在中東地區(qū)的應(yīng)用還較少，特別是國(guó)王港項(xiàng)目所在的沙特阿拉伯境內(nèi)還未見(jiàn)塑性混凝土防滲墻的成功應(yīng)用案例。相較于普通鋼筋混凝土防滲墻，塑性混凝土防滲墻可以大大地提高施工效率，降低成本[1-3]，通過(guò)軟件模擬的方式，結(jié)合國(guó)王港項(xiàng)目特點(diǎn)，對(duì)塑性混凝土防滲墻的防滲和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究，以期能夠?yàn)槠湓陧?xiàng)目中的應(yīng)用提供支持。

2 塑性混凝土防滲墻滲流分析

本項(xiàng)目中塑性混凝土防滲墻的厚度按照1 000 mm 進(jìn)行設(shè)計(jì)，在3 個(gè)干船塢中，2 號(hào)干船塢單獨(dú)布置，用于船只的檢修維護(hù)，4 號(hào)和5 號(hào)干船塢相鄰布置，用于新造船只的建設(shè)。本文主要對(duì)4 號(hào)和5 號(hào)干船塢下防滲墻的防滲、結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究。防滲墻設(shè)置于干船塢鋼筋混凝土塢墻、塢檻、泵房以及入口結(jié)構(gòu)下方，用以控制干船塢使用時(shí)的滲流量，根據(jù)業(yè)主項(xiàng)目前端設(shè)計(jì)（Front End Engineering Design，F(xiàn)EED）中的要求，各個(gè)干船塢在使用時(shí)的最大滲流量不能超過(guò)500 m3/h，采用計(jì)算機(jī)模擬軟件Slide（版本號(hào)：2018.8.028）對(duì)塑性混凝土防滲墻的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行2D 有限元滲流分析，用以驗(yàn)證所提出的設(shè)計(jì)方案是否能夠滿(mǎn)足FEED 中的最大滲流量要求。

2.1 滲流分析輸入條件

滲流模擬中所使用的現(xiàn)場(chǎng)土壤剖面和特性主要來(lái)源于FEED 地勘報(bào)告中的現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，所采用的地面模型和巖土參數(shù)如表1 所示。

表1 4 號(hào)和5 號(hào)干船塢所在區(qū)域所采用的地面模型和巖土參數(shù)

塑性混凝土防滲墻的滲透系數(shù)在10-8～10-11m/s 范圍內(nèi)，為了充分保證滲流模擬結(jié)果的安全性，滲流模型中所采用的各土層材料的滲透系數(shù)均按最大值選取，塑性混凝土防滲墻的滲透系數(shù)取值為1×10-8m/s。

計(jì)算中的滲流具有實(shí)際水流的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)（流量、水頭、壓力、滲透阻力），連續(xù)充滿(mǎn)整個(gè)含水層空間，是用來(lái)代替真實(shí)地下水流的一種假想水流。滲流流經(jīng)的區(qū)域?yàn)闈B流場(chǎng)[4]。

在有限元滲流分析中，干船塢根據(jù)不同的水邊界條件如從防滲墻到海水的距離，碼頭中的水位和防滲墻的頂部標(biāo)高等被分為不同區(qū)段，按照不同邊界條件分區(qū)域計(jì)算其滲流量，得出的結(jié)果為單位長(zhǎng)度下該界面的滲流量，總滲流量為沿防滲墻長(zhǎng)度的積分。在進(jìn)行模擬分析時(shí)，按照項(xiàng)目的FEED 文件中所設(shè)計(jì)的防滲墻頂部標(biāo)高，防滲墻均位于基巖之上，塢墻下防滲墻的頂部標(biāo)高為-19.3 m（CD），泵房、塢門(mén)及圍堰附近塢墻下防滲墻的頂部標(biāo)高為-21 m（CD），塑性混凝土防滲墻的滲透系數(shù)取值為1×10-8m/s，墻厚為1 000 mm。整個(gè)計(jì)算區(qū)域的水頭取最大天文潮水位+1.81 m（CD），在滲流分析時(shí)均未考慮工程中臨時(shí)防滲墻的作用。

2.2 4 號(hào)和5 號(hào)干船塢滲流分析結(jié)果

4 號(hào)和5 號(hào)干船塢的邊界條件相似，尺寸較大的4 號(hào)干船塢將有較大的滲流量，因此，主要對(duì)4 號(hào)干船塢的滲流量進(jìn)行分析。在對(duì)4 號(hào)干船塢進(jìn)行分析時(shí)，假設(shè)5 號(hào)干船塢灌滿(mǎn)水，水從5 號(hào)干船塢向4 號(hào)干船塢滲流，這樣可以充分考慮各種因素，使實(shí)際工程中的滲流更加可控。4 號(hào)干船塢同樣被分為4 段進(jìn)行滲流分析，每一段的分段長(zhǎng)度及Slide 中每一段的滲流分析結(jié)果匯總于表2 中，其中第3 段滲流量采用第2 段計(jì)算結(jié)果。

表2 4 號(hào)干船塢各段滲流分析結(jié)果

從以上對(duì)于4 號(hào)干船塢的滲流分析結(jié)果可知，塑性混凝土防滲墻可以滿(mǎn)足最大滲流量不超過(guò)500 m3/h 的設(shè)計(jì)要求。

3 塑性混凝土防滲墻強(qiáng)度模擬分析

3.1 Plaxis 模型設(shè)置

塑性混凝土防滲墻在施工完成后將承受來(lái)自水平土壤的壓力、上層建筑的荷載、自重荷載以及墻壁兩側(cè)的水壓差異，采用Plaxis 2D（版本號(hào)：2018.01）對(duì)防滲墻進(jìn)行有限元分析以驗(yàn)證所選取的防滲墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度參數(shù)是否滿(mǎn)足工程要求[5]。

采用Plaxis 模型對(duì)4 號(hào)和5 號(hào)干船塢的塑性混凝土防滲墻受力情況進(jìn)行模擬，根據(jù)防滲墻的位置，Plaxis 中的防滲墻模型根據(jù)位置不同主要分為塢墻下防滲墻、塢檻下防滲墻以及泵房/塢門(mén)入口區(qū)域下的防滲墻3 種類(lèi)型，其中泵房和塢門(mén)入口區(qū)域下防滲墻的荷載條件基本相同，但是泵房的荷載要大于入口區(qū)域，因此，僅采用泵房處的荷載條件來(lái)對(duì)塢門(mén)入口區(qū)域下的防滲墻進(jìn)行計(jì)算。

在Plaxis 模型中，主要模擬了以下建設(shè)階段的荷載：（1）現(xiàn)場(chǎng)排水并開(kāi)挖至防滲墻和上層建筑物所需深度；（2）安裝永久防滲墻；（3）施工上層建筑物；（4）施工船塢底板；（5）回填或開(kāi)挖至最終標(biāo)高；（6）拆除排水設(shè)施并使水位恢復(fù)至海平面，在此階段中，干船塢內(nèi)的水位以船塢底板的底部為準(zhǔn)，干船塢外的水位按照海平面計(jì)算。

在Plaxis 模型中，采用基于摩爾-庫(kù)倫（Mohr-Coulomb）模型的實(shí)體元素對(duì)塑性混凝土防滲墻的受力情況進(jìn)行模擬，防滲墻的厚度為1 000 mm。由于塑性混凝土的低強(qiáng)度、低剛度特性，塑性混凝土相比普通混凝土更接近于土壤或軟弱巖石，但比土壤或軟弱巖石更有彈性，與對(duì)于土壤的模擬相似，在Plaxis 模型中，通過(guò)摩爾-庫(kù)倫模型引入內(nèi)聚抗剪強(qiáng)度，數(shù)值等于UCS 的一半，塑性混凝土的加載割線(xiàn)剛度（E50）設(shè)置為150UCS。

Plaxis 模型中的土壤采用硬化土壤模型（Hardening soil model）進(jìn)行模擬，硬化土壤模型是較先進(jìn)的用于模擬不同類(lèi)型土壤（包括軟土和硬土）以及沙子和黏土的模型。該模型提供了土壤應(yīng)變和剪切應(yīng)力與應(yīng)力依賴(lài)性土壤剛度之間的雙曲類(lèi)型公式，通過(guò)應(yīng)用該模型設(shè)置不同的土壤剛度值可以較好地模擬土壤加載和卸載時(shí)的特性。Plaxis 中設(shè)置的土壤和塑性混凝土防滲墻的參數(shù)參照表1 進(jìn)行。在防滲墻與周?chē)寥乐g設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)的Plaxis 界面元素，從而可以較為準(zhǔn)確地反映土壤與防滲墻之間的相互作用，界面強(qiáng)度按照周邊土壤強(qiáng)度的0.7 倍進(jìn)行計(jì)算。

3.2 塑性混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

施工過(guò)程中，水位仍在臨時(shí)開(kāi)挖基坑底部以下，防滲墻上的上層建筑已經(jīng)施工完畢并回填，此時(shí)由于水位較低，對(duì)于防滲墻的浮力較低，上層建筑和周?chē)寥雷饔迷诜罎B墻上的力會(huì)大于正式完工后，通過(guò)Plaxis 模型，對(duì)施工過(guò)程中塑性混凝土防滲墻所受的切應(yīng)力、壓力、張力進(jìn)行驗(yàn)算，干船塢中不同位置對(duì)于防滲墻強(qiáng)度的要求不同，在模型中設(shè)置塑性混凝土的UCS 如下。

1）對(duì)于塢墻下的防滲墻，塑性混凝土的UCS 取值范圍為1.5～2 MPa，Plaxis 中的相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)置為UCS=1.5 MPa，E50=150×1.5 MPa=225 MPa。

2）對(duì)于泵房下的防滲墻，塑性混凝土的UCS 取值范圍為2.0～2.5 MPa，Plaxis 中的相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)置為UCS=2.0 MPa，E50=150×2.0 MPa=300 MPa。

3）對(duì)于塢檻下的防滲墻，塑性混凝土的UCS 取值范圍為2.0～2.5 MPa，Plaxis 中的相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)置為UCS=2.0 MPa，E50=150×2.0 MPa=300 MPa。

4 號(hào)和5 號(hào)干船塢防滲墻的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果如表3 所示。

表3 4 號(hào)和5 號(hào)干船塢塢墻下防滲墻結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

從以上Plaxis 驗(yàn)算結(jié)果可以看出，按照給定的UCS 施工的塑性混凝土防滲墻具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可以承受在施工以及正式工況下的剪切力、壓力，同時(shí)還可以看出，由于塑性混凝土防滲墻具有較低的剛度，上層建筑所引起的防滲墻基本沒(méi)有彎曲，驗(yàn)算中未發(fā)現(xiàn)張力的存在，這也是使用塑性混凝土防滲墻的一大優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元模擬軟件對(duì)國(guó)王港項(xiàng)目干船塢下塑性混凝土防滲墻的滲流量、強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)算，結(jié)果表明，在滲透系數(shù)為10-8m/s 時(shí)，塑性混凝土防滲墻的最大滲流量可以滿(mǎn)足干船塢的設(shè)計(jì)要求，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在1.5～2.5 MPa 時(shí)，防滲墻具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，可以在國(guó)王港項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用推廣。