青草沙水庫東堤圓弧段防滲墻有限元分析

張軍濤

（上海勘測設(shè)計研究院，上海 200434）

近年來由于內(nèi)河水質(zhì)受到不同程度污染，上海市已成為典型的水質(zhì)型缺水城市。為緩解上海市城市原水供應(yīng)緊張、改善原水水質(zhì)，根據(jù)上海的特殊地理位置，在長江口開辟新水源地對上海市城市供水安全有極其重大的社會效益及經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

擬建的青草沙水庫位于長江口南支下游分流口的北港側(cè)前端部，涉及長興島西北側(cè)區(qū)域，包括長興島西北岸線段區(qū)域、中央沙和青草沙等區(qū)域的潮汐帶和淺灘區(qū)域及北小泓、東北小泓等水域。

水庫環(huán)庫大堤由南堤、西堤、北堤、東堤及長興島海塘組成，總長48.78km，水庫建成后將是我國目前最大的江中水庫。水庫為蓄淡避咸水庫，設(shè)計庫容5.24億m3，為大（2）型水庫，工程等級Ⅰ等，環(huán)庫大堤為Ⅰ級建筑物。

水庫環(huán)庫大堤的東堤在承受7.0m的雙向水頭作用下，承受荷載較大。根據(jù)以往工程設(shè)計經(jīng)驗，水庫東堤擬采用拋填袋裝砂斜坡堤結(jié)構(gòu)，其特點是底部采用袋裝沙水下拋填而成，上部堤身兩側(cè)由土工織布管袋充填砂土堆疊而成，堤芯中上部由砂性土散吹形成。但采用拋填袋裝砂工藝施工時，堆放的隨意性較大，拋填袋之間易形成孔隙，土層均勻性差，在承受雙向水頭作用時，易形成連續(xù)貫穿性的滲漏通道，導(dǎo)致大堤發(fā)生滲透破壞。

目前水庫大堤防滲墻的形式較多，若從受力條件分析，此圓弧段防滲墻采用強(qiáng)度高、變形能力強(qiáng)的鋼板樁較合適，然而根據(jù)現(xiàn)場試樁試驗看，鋼板樁在吹填砂中施打，橫向擺動較大，垂直度偏差大；隨著打入深度增加，鋼板樁鎖口處摩擦力越來越大，造成鋼板樁施工質(zhì)量無法滿足要求。若選用三軸攪拌樁，由于其施工完成后需一定的養(yǎng)護(hù)齡期，在7.0m雙向水頭作用下，混凝土流失嚴(yán)重，成樁質(zhì)量無法保證。所以防滲墻形式的選擇必須同時考慮樁體結(jié)構(gòu)的受力和施工工藝。經(jīng)綜合比選，決定采用施工工藝較為成熟、施工質(zhì)量容易控制且防滲效果較好的混凝土灌注樁，最終混凝土灌注樁之間咬合連成混凝土墻，墻體厚度0.6m。

根據(jù)水庫調(diào)度運行方式，尤其是庫外潮位一天兩漲兩落，庫內(nèi)、外水位往復(fù)變動，可形成7.0m雙向水頭。根據(jù)初擬設(shè)計方案，青草沙水庫東堤圓弧段所對應(yīng)的圓心角較大，在雙向水頭作用下拱的作用十分明顯。當(dāng)庫外水位高于庫內(nèi)水位運行時，防滲墻受壓；當(dāng)庫內(nèi)水位高于庫外水位運行時，防滲墻受拉。鑒于東堤圓弧段防滲墻［1-4］受力復(fù)雜的特性，需采用三維有限元對其進(jìn)行力學(xué)分析，以便為工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

2 計算模型

設(shè)計方案初擬青草沙水庫東堤的圓弧段堤身高15m，圓弧段防滲墻長374m，其半徑300m，圓心角71.4°。堤身下臥土層第四系全新統(tǒng)松散堆積物厚度很大，典型土層的材料力學(xué)參數(shù)詳見表1。

根據(jù)防滲要求，防滲墻需深入④層土2m，墻體高24m。防滲墻采用C25混凝土，混凝土材料重度24kN/m3，彈性模量28GPa，泊松比0.167，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值1.27MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計值11.9MPa。

表1 土層及堤身的材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)初擬設(shè)計方案，采用大型有限元軟件建立青草沙水庫東堤的精細(xì)有限元模型，有限元模型［5］全部采用體型較好的6面體8結(jié)點等參單元剖分，如圖1所示。模型反映了堤身、防滲墻及堤基土層分區(qū)影響，并考慮了各土層物理力學(xué)指標(biāo)在模型中的分布，如圖2所示。在進(jìn)行三維有限元計算時，土體采用對Mohr-Coulomb模型進(jìn)行改進(jìn)后的Drucker-Prager模型，在巖土工程的有限元分析中，該模型應(yīng)用廣泛。

圖1 三維有限元模型網(wǎng)格劃分

圖2 斷面土層分區(qū)

根據(jù)雙向水頭的實際情況，計算工況分為2種：工況1，庫內(nèi)死水位-1.00m，庫外設(shè)計高潮位6.13m，水頭差7.13m；工況2，庫內(nèi)咸潮期最高蓄水位7.00m，庫外設(shè)計低潮位-0.07m，水頭差7.07m。

3 東堤圓弧段防滲墻拱作用研究

圖3～圖6分別為兩種工況作用下防滲墻有限元計算結(jié)果的應(yīng)力等值線。從圖3與圖4可看出，在工況1作用下防滲墻受壓，最大拉應(yīng)力1.75MPa，最大壓應(yīng)力9.54MPa，小于混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度，滿足設(shè)計規(guī)范要求；從圖5與圖6可看出，在工況2作用下防滲墻受拉，最大壓應(yīng)力4.43MPa，小于混凝土抗壓強(qiáng)度，滿足設(shè)計規(guī)范要求，但最大拉應(yīng)力10.05MPa，大于混凝土抗拉強(qiáng)度，不能滿足設(shè)計規(guī)范要求。究其原因是堤身土體與混凝土灌注樁防滲墻的力學(xué)性質(zhì)不同，剛度相差懸殊，水壓力作用使圓弧段防滲墻在反拱作用下產(chǎn)生較大的水平拉應(yīng)力。因此需對工況2作用下的圓弧段防滲墻進(jìn)行更深入的研究，以尋求科學(xué)的設(shè)計方案優(yōu)化水平拉應(yīng)力。

圖3 工況（1）第一主應(yīng)力

圖4 工況（1）第三主應(yīng)力

圖5 工況（2）第一主應(yīng)力

圖6 工況（2）第三主應(yīng)力

4 東堤圓弧段防滲墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為優(yōu)化防滲墻受力，盡量消除圓弧段的反拱作用，才能有效減小防滲墻的水平拉應(yīng)力。在圓弧半徑及其對應(yīng)圓心角無法改變的情況下，較為合理的方案是采取“化整為零”的辦法，將圓弧段分成若干小段，在結(jié)構(gòu)縫處采用柔性止水材料，這樣既能確保防滲墻的整體防滲效果不受影響，同時又能保證各小段之間受力獨立，達(dá)到減小反拱作用的目的。現(xiàn)試將整個東堤圓弧段等分4段小圓弧，每段小圓弧所對應(yīng)的圓心角17.85°。圖7為各小圓弧段在工況2作用下的應(yīng)力等值線，防滲墻最大拉應(yīng)力1.212MPa，各分段的水平拉應(yīng)力已顯著降低，基本能滿足混凝土防滲墻的抗拉強(qiáng)度要求，同時各小圓弧段在工況2作用下的最大壓應(yīng)力6.32MPa，小于混凝土抗壓強(qiáng)度，滿足設(shè)計規(guī)范要求。計算結(jié)果表明：“化整為零”的技術(shù)方案有效減小了圓弧段的反拱作用，降低了水平拉應(yīng)力。實際工程中，設(shè)計可將圓弧段等分成6段小圓弧，從而使防滲墻水平應(yīng)力能有一定的安全度。

圖7 工況（2）第一主應(yīng)力

5 結(jié)語

上海青草沙水庫工程東堤圓弧段受到雙向水頭作用，導(dǎo)致該部分的防滲墻受力復(fù)雜。為了克服圓弧段防滲墻在反拱作用下的不利影響，確保水庫東堤圓弧段防滲墻在雙向水頭作用下的安全運行，根據(jù)初擬設(shè)計方案，利用有限元軟件，建立三維東堤圓弧段有限元模型，對雙向水頭作用下的東堤圓弧段進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，計算結(jié)果表明：對于工況2，防滲墻的最大拉應(yīng)力不滿足規(guī)范要求。結(jié)合工程經(jīng)驗，對該部分防滲墻采取“化整為零”的處理方式，進(jìn)行防滲墻的優(yōu)化研究，計算結(jié)果表明：“化整為零”的技術(shù)方案有效減小了圓弧段的反拱作用，降低了水平拉應(yīng)力，此工程技術(shù)方案可行。研究成果為工程設(shè)計提供了理論參考依據(jù)。

［1］李少明，秦忠國.林溪水庫主壩防滲墻應(yīng)力變形的有限元分析［J］.人民長江，2012，43（19）：72-74.

［2］段偉，駱原，陳珂，等.黃壁莊水庫副壩滲流及防滲墻應(yīng)力分析［J］.人民黃河，2011，33（5）：124-127.

［3］馬麗，張寶英.平原水庫防滲墻的有限元分析［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2012，18（3）：62-64.

［4］姜永興，瞿忠烈.蓄水過程對防滲墻應(yīng)力應(yīng)變的影響分析［J］.浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報，2011，23（1）：13-16，44.

［5］姚激，武亮，葉文明.克田混凝土拱壩三維有限元分析研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2008（3）：109-111.