有限元法在高填方渠道湿陷性黄土地基设计中的应用

杨镇生，杨松

（1.河北省南水北调工程建设管理局，石家庄 050035；2.河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 050021）

有限元法在高填方渠道湿陷性黄土地基设计中的应用

杨镇生1，杨松2

（1.河北省南水北调工程建设管理局，石家庄 050035；2.河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 050021）

构建渠道有限元三维模型，模拟渠道填筑、蓄水和湿陷性黄土地基湿陷过程，测算地基湿陷区域、范围及深度的不同对渠道变形影响，进而完成各湿陷性黄土地基处理方案的评估设计。

填方渠道；湿陷性黄土；有限元；三维模型；土挤密桩

南水北调中线工程总干渠永年县段总长18.19km，在施工期地质勘察发现，已填筑成型渠段为湿陷性黄土地基，湿陷系数0.001～0.08，属于I（轻微）级非自重湿陷性场地～II（中等）级自重湿陷性场地。为避免高填方段黄土地基湿陷引起渠道不均匀沉降和开裂，利用有限元三维模型模拟湿陷过程，开展高填方段黄土地基湿陷性研究和分析，为方案（保留已填筑渠段+土挤密桩方案）比选和后续施工设计等提供技术支撑。

1 工程概况

南水北调中线工程总干渠为Ⅰ等工程，渠道及其交叉建筑物的主要部位为1级，次要部位为3级。桩号74+657～75+095段为南水北调中线总干渠永年县段设计单元的一部分，渠道底宽25m，深度7.6m，内、外边坡1∶2，渠堤顶宽5m。该渠段为半填半挖段，渠底挖深1.4m，渠堤填筑高度6.2m。过水断面采用C20W6F150混凝土断面衬砌，渠底厚度8cm，渠坡厚度10cm，防渗采用两布一膜复合土工膜（150kg/m2-0.3mm-150kg/m2），下垫3cm厚加糙挤塑聚苯乙烯泡沫塑料保温板。土渠段伸缩缝及沉降缝的间距一般为8.0m，缝宽均为10mm，临水侧2cm采用聚硫密封膏封闭，下部填充聚乙烯低发泡闭孔泡沫塑料板。

2 湿陷系数深度分布规律分析

桩号74+657～75+095渠段地基中湿陷性黄土呈不连续分布状态，且限于8m深度范围内，强湿陷性黄土深度主要集中在3，7m位置，在深度8m位置中，黄土地基湿陷性系数基本减小至0。通过模型分析，对桩号74+010～76+210渠段地勘资料湿陷性情况进行综合分析，地基湿陷性一般随深度增加逐步降低，绝大多数位置湿陷性集中在0～5m范围内，表面湿陷性强，极少位置8～10m深度处还存在较强的湿陷性，在12m深度以下，基本没有湿陷性。

3 湿陷计算分析方法

3.1 计算网络模型

在三维有限元计算中，综合桩号74+010～76+210段地勘成果、湿陷性黄土覆盖范围、厚度以及渠道填方的设计尺寸，在典型地质剖面基础上进行概化，建立有限元计算网格。模型长度（沿渠道走向）100m，模型宽度140m，基底海拔高程40m，渠道底面高程82m，渠道外地面高度84m，湿陷性黄土深度14m，渠道填方高度7.6m。有限元计算网格共包括16600个六面体等参单元，19574个节点。

3.2 计算本构模型

计算主要分两个部分进行：第1部分对渠道填方的填筑、蓄水过程进行模拟，第2部分对假定发生湿陷的黄土地基进行湿陷模拟。填筑、蓄水和湿化过程均采用多个计算步。渠道填筑和蓄水过程的模拟计算采用增量迭代法，本构关系服从Duncan非线性弹性E-B模型。湿陷计算采用初应变法，本构关系服从陈正汉提出的黄土湿陷经验模型。

3.3 计算参数

地基及填方土的Duncan E-B模型参数进行拟定，如表1所示。

表1 地基及填筑土料Duncan E-B模型计算参数

三维湿陷计算类比了200kPa下湿陷系数6%、干密度1.27g/cm3的某黄土三维湿陷试验资料，选取基准湿陷计算经验参数。湿陷计算经验参数见表2。

3.4 计算方案

计算分析过程中首先按照施工对渠道的填筑过程进行模拟，然后分析渠道蓄水后黄土地基的湿陷变形对渠体的影响；为考虑不同范围黄土地基发生湿陷对渠道安全的影响，根据发生湿陷的范围和深度制定了15个计算方案。另外，为了反应湿陷系数随深度减小的实际情况，同时对比计算对应的湿陷系数随深度减小的方案为15个。

表2 湿陷计算经验参数

4 计算成果分析

地基中发生湿陷1/4处是最危险工况，考虑湿陷系数随深度均匀分布时，湿陷量最大值106cm；而湿陷系数随深度呈线性减小时，最大湿陷降低至31cm，各计算方案轴向和坡向的应变都不大，均未达到1%。统计结果显示，湿陷区域面积、湿陷性黄土分布深度与湿陷造成的沉降呈正相关关系，且考虑湿陷系数随深度呈线性减小相对随深度均匀分布而言，湿陷导致堤身的变形和变形倾度也有大幅度减小。

桩号74+657～75+095地段中湿陷性黄土主要分布在0～8m范围内，不考虑和考虑湿陷系数随深度线性减小时，最危险工况下最大沉降量分别为36cm和26cm，变形倾度分别为0.5%和0.6%，且渠道及地基均不会出现裂缝。

5 方案复核与设计

考虑该渠段临近村庄，采用强夯和换填均不适合，桩号74+657～75+095段拟定处理方法采用土挤密桩方案。

拟定方案1：不进行处理；拟定方案2：渠底和两侧外坡坡脚以外5m范围（渠坡下地基不处理）进行挤密桩处理；拟定方案3：渠道底部、两侧内坡4m宽度和两侧外坡坡脚以外5m及坡脚以内5.5m范围进行挤密桩处理；拟定方案4：渠道底部、两侧内坡9.5m宽度和两侧外坡坡脚以外5m及坡脚以内11m范围进行挤密桩处理。按接近地基实际的湿陷性系数分布（即自地表向下湿陷性线性减小，偏于保守计地表湿陷系数10%）地质条件下，经复核各方案渠道湿陷变形最大值分别为：45，30，22，12.5cm。

渠道湿陷性黄土地基处理设计方案，两侧外坡脚外5m、左侧外坡脚内6m、左侧内坡脚外9m、渠底、右侧内坡脚外8m和右侧外坡内8m范围内采用土挤密桩，左侧堤身范围内桩长8.5m，渠底桩长4m，右侧堤身范围内桩长6m（桩长均自现状地面算起）。桩径40cm，等边三角形布置，桩心距1.3m。另外，防渗采用两布一膜复合土工膜的膜厚调整为0.5mm。

6 结语

（1）高填方渠道湿陷性地基处理设计采用服从Duncan非线性弹性E-B和陈正汉提出的黄土湿陷经验本构关系的湿陷性黄土计算模型，利用模型模拟渠道的填筑、蓄水和湿陷过程，测算不同区域发生湿陷可能造成渠道的沉陷和开裂程度，依此作为高填方渠道湿陷性地基处理设计和安全评估的依据。

（2）经对拟定方案复核验算，在已填筑成型渠段（桩号74+657～75+095）不拆除的前提下，对渠底及部分渠坡压占范围地基（占整个渠道压占面积的65%）采取土挤密桩处理，即能保证渠道湿陷性沉陷不超过15cm。

［1］中国水利水电科学研究院.南水北调中线一期工程总干渠邯邢段湿陷性黄土高填方渠道安全性研究［R］.2011.

［2］河北省水利水电第二勘测设计研究院.南水北调中线一期工程总干渠河北省永年县段74+245～75+905渠段湿陷性黄土处理设计变更报告［R］.2011.

［3］JGJ79—2002，建筑地基处理技术规范［S］.

［4］GB50025—2004，湿陷性黄土地区建筑规范［S］.

［5］杨晋营.湿陷性黄土地区渠道基础处理及防渗措施［J］.水利规划与设计，2004（3）.

［6］邵生俊，龙吉俊，于清高，等.湿陷性黄土的结构性参数本构模型［J］.水利学报，2006（11）.

Application of Finite Element Method in High Filled Channels of Collapsible Loess Foundation Design

YANG Zhen-sheng1，YANG Song2
（1.South-to-North Water Transfer Project in Hebei Province Bureau of Construction Management，Shijiazhuang 050035，China；2.HebeiProvincialWaterConservancyandHydropowerSecondSurveyandDesignInstitute，Shijiazhuang050021，China）

Constructing the finite element three-dimensional model of channel,simulating the channel filling,storage and collapsible loess foundation collapsibility progress,measuring the effect of foundation collapsible range and depth on channel deformation,and then completing the design and evaluation of collapsible loess foundation treatment scheme.

filled channel；collapsible loess；finite element；three-dimensional model；soil compaction pile

TV223.6

A

1672-9900（2012）06-0077-03

2012-08-28

杨镇生（1970-），男（汉族），河北河间人，高级工程师，主要从事水利工程设计和建设管理工作，（Tel）13931985266。