消力池開挖施工對(duì)臨近泄洪洞安全性的影響

汪聯(lián)歡

(武漢市江河水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 431400)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，自然資源需求量不斷增加，并成為制約社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的重要因素。其中，水資源作為與人類社會(huì)關(guān)系最為密切的資源類型，其重要性也是不言而喻的。從國(guó)內(nèi)情況來看，受到水資源時(shí)空分布不均等因素的影響，水資源供需矛盾日漸突出。為解決這一問題，我國(guó)近年來不斷加大水利工程建設(shè)領(lǐng)域的投入力度，并將其作為水資源優(yōu)化配置的重要工程措施。在水利工建設(shè)領(lǐng)域，一方面是通過新建水利工程促進(jìn)水利工程的優(yōu)化布局，另一方面是通過對(duì)原有水利工程的除險(xiǎn)加固升級(jí)改造，排除病險(xiǎn)因素，提高工程安全性和效益[1]。在原有水利工程的除險(xiǎn)加固施工過程中，受到原有工程建筑物布局和施工場(chǎng)地等因素的影響，勢(shì)必會(huì)對(duì)原有水工建筑造成一些影響[2]。顯然，對(duì)上述影響進(jìn)行定性分析和定量評(píng)價(jià)，對(duì)保證工程施工的順利進(jìn)行和原有水工建筑的安全具有重要意義。

在施工影響研究領(lǐng)域，主要有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬三種基本方式[3]。對(duì)此次研究而言，顯然不同利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式獲得相應(yīng)的影響規(guī)律，同時(shí)會(huì)影響到施工安全；數(shù)值模擬的方式具有成本低、方便快捷的優(yōu)勢(shì)。但是，工程現(xiàn)場(chǎng)的情況往往十分復(fù)雜，影響因素眾多，而模型構(gòu)建過程中很難考慮所有的影響因素，一旦模型的參數(shù)和邊界條件設(shè)置不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致較大的計(jì)算誤差?；诖?，此次研究以具體工程為背景，采用室內(nèi)模型試驗(yàn)的方式探討消力池開挖施工對(duì)臨近泄洪洞安全性的影響，以便為背景工程和相關(guān)類似工程的施工建設(shè)提供有益的借鑒。

1 模型與方法

1.1 工程背景

某水庫是一座具有防洪、灌溉、養(yǎng)殖等諸多綜合性功能的小(2)型水庫。該水庫建成于20世紀(jì)70年代，主要由大壩、溢洪道和泄洪洞組成。由于工程存在十分明顯的病險(xiǎn)問題，急需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。按照除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)，需要對(duì)原有的溢洪道拆除重建，同時(shí)擴(kuò)大原有消力池的尺寸，以提高工程的防洪能力。由于水庫位于河谷地帶，兩岸山體較為陡峭，因此消力池的擴(kuò)挖將會(huì)對(duì)右側(cè)山體內(nèi)的泄洪洞造成一定的影響。

1.2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

此次研究按照重力相似性原則進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)[4]，模型的幾何比尺為1∶20。模型試驗(yàn)箱的尺寸為1.40 m×0.83 m×1.45 m，其左右兩面為厚度0.7 mm的鋼化玻璃，其余部位為鋼板。模型箱的結(jié)構(gòu)部分利用角鋼焊接而成，可以保證試驗(yàn)過程中箱體的剛性以及變形的穩(wěn)定性[5]。鋼化玻璃不僅為試驗(yàn)提供良好的視野，同時(shí)玻璃上的坐標(biāo)系也可以為各種水工構(gòu)筑物的放置提供精確位置。

研究中使用的試驗(yàn)巖土體采用由石灰、石膏、鐵粉和水配置凝固而成的相似性材料，其密度為1.8 g/cm3，黏聚力為21.5 kPa，內(nèi)摩擦角為25.4°。由于消力池與泄洪洞距離較近，因此在施工中擬采用地下連續(xù)墻+錨桿的初支方案。由于沒有水利工程領(lǐng)域的相關(guān)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)借鑒。因此研究中參考基坑開挖試驗(yàn)成果[6]，選擇厚度為8 mm的PVC板作為地下連續(xù)墻的材料，其彈性模量為3.21×106kPa；選擇長(zhǎng)度40 cm、外徑1.5 cm，厚度1 mm的PVC管作為錨桿材料，其彈性模量為1.05×106kPa。臨近泄洪洞采用外徑20 cm、厚4 mm的PVC空心管替代，其彈性模量為3.94×106kPa。根據(jù)背景工程的實(shí)際情況和設(shè)計(jì)比尺，消力池巖土體卸載寬度0.8 m，長(zhǎng)度為1.2 m；地下連續(xù)墻的嵌固深度為0.2 m。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕孛媸疽鈭D如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒孛媸疽鈭D

試驗(yàn)中在泄洪洞中央部位設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，在每個(gè)截面的拱頂、左拱肩、左拱腰、左拱腳、底部、右拱腳、右拱腰及右拱肩8個(gè)典型部位設(shè)置應(yīng)變片，以監(jiān)測(cè)施工過程中監(jiān)測(cè)斷面的彎矩變化數(shù)據(jù)[7]。試驗(yàn)中的應(yīng)變片采用精度等級(jí)為A級(jí)的BX120-20AA 型號(hào)，其靈敏系數(shù)為0.28。在試驗(yàn)中利用502膠將其固定在各個(gè)測(cè)點(diǎn)的預(yù)設(shè)位置，并將其端子和數(shù)據(jù)導(dǎo)線焊接。試驗(yàn)過程中泄洪洞位移量測(cè)試采用振弦式位移傳感器，該傳感器具有操作方便、性能穩(wěn)定、精度高的優(yōu)勢(shì)。其安裝部位與應(yīng)變片相同[8]。所有的測(cè)試數(shù)據(jù)均利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集和儲(chǔ)存。在試驗(yàn)結(jié)束之后利用EXCEL軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和分析。

1.3 試驗(yàn)方案

結(jié)合工程實(shí)際，此次研究選擇消力池的開挖深度、泄洪洞埋深以及消力池右側(cè)邊界和泄洪洞左拱腰的距離(以下簡(jiǎn)稱間距)作為研究變量。其中消力池的開挖深度選擇0.4 m、0.5 m、0.6 m和0.7 m 4種不同水平；泄洪洞埋深選擇擬開挖深度(0.5 m)的0.5倍、1.0倍、1.5倍和2.0倍，也就是0.25 m、0.50 m、0.75 m和1.00 m 4種不同的水平；間距選擇擬開挖深度的0.8倍、1.0倍、1.2倍和1.4倍，也就是0.4 m、0.5 m、0.6 m和0.7 m 4種不同的水平。鑒于影響因素和水平值較多，研究中保持兩個(gè)變量取值不變，展開第三個(gè)變量的影響試驗(yàn)研究。利用試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)，對(duì)拱頂、左拱肩、左拱腰、左拱腳、底部、右拱腳、右拱腰及右拱肩8個(gè)典型部位的彎矩和位移值進(jìn)行分析，獲取消力池開挖對(duì)泄洪洞安全性的具體影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 開挖深度

研究中保持泄洪洞埋深0.5 m、消力池和泄洪洞間距0.4 m不變，利用模型對(duì)不同消力池開挖深度方案進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲取泄洪洞各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的彎矩和位移，結(jié)果分別如表1和表2所示。從表1可以看出，隨著消力池開挖深度的增大，各部位的彎矩也存在程度不同的變化。將模型數(shù)據(jù)按照1∶20的幾何比例尺換算到實(shí)際工程，當(dāng)開挖深度<10 m時(shí)，泄洪洞各部位的彎矩計(jì)算結(jié)果變化不大，當(dāng)開挖深度>10 m時(shí)，各部位的彎矩值顯示出比較明顯的變化，其中變化最大的是拱頂和左拱肩部位，特別是左拱肩部位出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力區(qū)，右側(cè)的拱腳和拱腰部位也由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)。從表2可以看出，消力池開挖深度較小時(shí)，各部位的位移量較小。隨著開挖深度的增加，泄洪洞整體向左移動(dòng)，且位移量不斷增大，同時(shí)發(fā)生泄洪洞上半部分位移量大于下半部分的不均勻位移，原因是泄洪洞內(nèi)部發(fā)生了變形，且以左上部的受拉變形最為顯著。當(dāng)開挖深度>12 m時(shí)，位移量迅速增大且不均勻位移現(xiàn)象更為顯著。

表1 不同消力池開挖深度彎矩試驗(yàn)結(jié)果

表2 不同消力池開挖深度位移試驗(yàn)結(jié)果

2.2 泄洪洞埋深

研究中保持0.5 m的消力池開挖深度，0.4 m的消力池和泄洪洞間距不變，對(duì)不同泄洪洞埋深方案進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算獲取泄洪洞不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的彎矩和位移值，結(jié)果分別如表3和表4所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在其他條件不變的情況下，泄洪洞各部位的彎矩變化量和位移量均隨著泄洪洞埋深的增大而減小，且各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的分布規(guī)律基本一致。另一方面，從試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，當(dāng)泄洪洞的埋深小于消力池開挖深度時(shí)，泄洪洞各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的彎矩變化量和位移量顯著偏大；當(dāng)泄洪洞的埋深大于消力池開挖深度時(shí)，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的彎矩變化量和位移量相對(duì)較小。由此可見，當(dāng)消力池的開挖深度小于泄洪洞埋深時(shí)，開挖施工對(duì)泄洪洞安全性的影響有限；當(dāng)消力池的開挖深度大于泄洪洞埋深時(shí)會(huì)對(duì)其安全性造成比較顯著的影響，在工程設(shè)計(jì)和施工中需要予以關(guān)注。

表3 不同泄洪洞埋深彎矩試驗(yàn)結(jié)果

表4 不同泄洪洞埋深位移試驗(yàn)結(jié)果

2.3 間距

研究中保持消力池開挖深度0.5 m，泄洪洞埋深0.5 m不變，對(duì)不同消力池和泄洪洞間距方案進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲取泄洪洞各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的彎矩和位移量，結(jié)果如表5和表6所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在其他條件不變的情況下，隨著消力池和泄洪洞間距的增大，泄洪洞各個(gè)典型部位的彎矩變化量和位移量均呈現(xiàn)出不斷減小，并逐漸趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)。由此可見，在消力池開挖施工中增加消力池和泄洪洞的間距可以提高泄洪洞的安全性和穩(wěn)定性。將模型數(shù)據(jù)按照1∶20的幾何比例尺換算到實(shí)際工程，當(dāng)消力池和泄洪洞間距<10 m時(shí)，泄洪洞的彎矩變化值和位移的變化量較大，當(dāng)消力池和泄洪洞間距>10 m時(shí)，泄洪洞的彎矩變化值和位移的變化較為有限。

表5 不同消力池和泄洪洞間距方案下彎矩試驗(yàn)結(jié)果

表6 不同消力池和泄洪洞間距方案下位移試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 語

此次研究以具體工程為依托，利用物理模型試驗(yàn)的方式探討了消力池開挖對(duì)臨近泄洪洞安全性的影響。結(jié)果顯示，較大的開挖深度、較小的間距和泄洪洞埋深均不利于泄洪洞的安全穩(wěn)定。從試驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)泄洪洞埋深和間距小于消力池的開挖深度時(shí)，對(duì)泄洪洞的彎矩和位移影響較大，不利于保證施工中泄洪洞的安全穩(wěn)定，設(shè)計(jì)施工中需要考慮。模型試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際工程存在一定的差異，而試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵矡o法全部復(fù)制工程現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜條件，因此，在今后的工作中還需要搜集更多的工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為后續(xù)深入研究提供更多的依據(jù)。