青草沙水库东堤圆弧段防渗墙有限元分析

张军涛

（上海勘测设计研究院，上海 200434）

近年来由于内河水质受到不同程度污染，上海市已成为典型的水质型缺水城市。为缓解上海市城市原水供应紧张、改善原水水质，根据上海的特殊地理位置，在长江口开辟新水源地对上海市城市供水安全有极其重大的社会效益及经济效益。

1 工程概况

拟建的青草沙水库位于长江口南支下游分流口的北港侧前端部，涉及长兴岛西北侧区域，包括长兴岛西北岸线段区域、中央沙和青草沙等区域的潮汐带和浅滩区域及北小泓、东北小泓等水域。

水库环库大堤由南堤、西堤、北堤、东堤及长兴岛海塘组成，总长48.78km，水库建成后将是我国目前最大的江中水库。水库为蓄淡避咸水库，设计库容5.24亿m3，为大（2）型水库，工程等级Ⅰ等，环库大堤为Ⅰ级建筑物。

水库环库大堤的东堤在承受7.0m的双向水头作用下，承受荷载较大。根据以往工程设计经验，水库东堤拟采用抛填袋装砂斜坡堤结构，其特点是底部采用袋装沙水下抛填而成，上部堤身两侧由土工织布管袋充填砂土堆叠而成，堤芯中上部由砂性土散吹形成。但采用抛填袋装砂工艺施工时，堆放的随意性较大，抛填袋之间易形成孔隙，土层均匀性差，在承受双向水头作用时，易形成连续贯穿性的渗漏通道，导致大堤发生渗透破坏。

目前水库大堤防渗墙的形式较多，若从受力条件分析，此圆弧段防渗墙采用强度高、变形能力强的钢板桩较合适，然而根据现场试桩试验看，钢板桩在吹填砂中施打，横向摆动较大，垂直度偏差大；随着打入深度增加，钢板桩锁口处摩擦力越来越大，造成钢板桩施工质量无法满足要求。若选用三轴搅拌桩，由于其施工完成后需一定的养护龄期，在7.0m双向水头作用下，混凝土流失严重，成桩质量无法保证。所以防渗墙形式的选择必须同时考虑桩体结构的受力和施工工艺。经综合比选，决定采用施工工艺较为成熟、施工质量容易控制且防渗效果较好的混凝土灌注桩，最终混凝土灌注桩之间咬合连成混凝土墙，墙体厚度0.6m。

根据水库调度运行方式，尤其是库外潮位一天两涨两落，库内、外水位往复变动，可形成7.0m双向水头。根据初拟设计方案，青草沙水库东堤圆弧段所对应的圆心角较大，在双向水头作用下拱的作用十分明显。当库外水位高于库内水位运行时，防渗墙受压；当库内水位高于库外水位运行时，防渗墙受拉。鉴于东堤圆弧段防渗墙［1-4］受力复杂的特性，需采用三维有限元对其进行力学分析，以便为工程设计提供参考依据。

2 计算模型

设计方案初拟青草沙水库东堤的圆弧段堤身高15m，圆弧段防渗墙长374m，其半径300m，圆心角71.4°。堤身下卧土层第四系全新统松散堆积物厚度很大，典型土层的材料力学参数详见表1。

根据防渗要求，防渗墙需深入④层土2m，墙体高24m。防渗墙采用C25混凝土，混凝土材料重度24kN/m3，弹性模量28GPa，泊松比0.167，抗拉强度设计值1.27MPa，抗压强度设计值11.9MPa。

表1 土层及堤身的材料力学参数

根据初拟设计方案，采用大型有限元软件建立青草沙水库东堤的精细有限元模型，有限元模型［5］全部采用体型较好的6面体8结点等参单元剖分，如图1所示。模型反映了堤身、防渗墙及堤基土层分区影响，并考虑了各土层物理力学指标在模型中的分布，如图2所示。在进行三维有限元计算时，土体采用对Mohr-Coulomb模型进行改进后的Drucker-Prager模型，在岩土工程的有限元分析中，该模型应用广泛。

图1 三维有限元模型网格划分

图2 断面土层分区

根据双向水头的实际情况，计算工况分为2种：工况1，库内死水位-1.00m，库外设计高潮位6.13m，水头差7.13m；工况2，库内咸潮期最高蓄水位7.00m，库外设计低潮位-0.07m，水头差7.07m。

3 东堤圆弧段防渗墙拱作用研究

图3～图6分别为两种工况作用下防渗墙有限元计算结果的应力等值线。从图3与图4可看出，在工况1作用下防渗墙受压，最大拉应力1.75MPa，最大压应力9.54MPa，小于混凝土抗拉、抗压强度，满足设计规范要求；从图5与图6可看出，在工况2作用下防渗墙受拉，最大压应力4.43MPa，小于混凝土抗压强度，满足设计规范要求，但最大拉应力10.05MPa，大于混凝土抗拉强度，不能满足设计规范要求。究其原因是堤身土体与混凝土灌注桩防渗墙的力学性质不同，刚度相差悬殊，水压力作用使圆弧段防渗墙在反拱作用下产生较大的水平拉应力。因此需对工况2作用下的圆弧段防渗墙进行更深入的研究，以寻求科学的设计方案优化水平拉应力。

图3 工况（1）第一主应力

图4 工况（1）第三主应力

图5 工况（2）第一主应力

图6 工况（2）第三主应力

4 东堤圆弧段防渗墙结构优化

为优化防渗墙受力，尽量消除圆弧段的反拱作用，才能有效减小防渗墙的水平拉应力。在圆弧半径及其对应圆心角无法改变的情况下，较为合理的方案是采取“化整为零”的办法，将圆弧段分成若干小段，在结构缝处采用柔性止水材料，这样既能确保防渗墙的整体防渗效果不受影响，同时又能保证各小段之间受力独立，达到减小反拱作用的目的。现试将整个东堤圆弧段等分4段小圆弧，每段小圆弧所对应的圆心角17.85°。图7为各小圆弧段在工况2作用下的应力等值线，防渗墙最大拉应力1.212MPa，各分段的水平拉应力已显著降低，基本能满足混凝土防渗墙的抗拉强度要求，同时各小圆弧段在工况2作用下的最大压应力6.32MPa，小于混凝土抗压强度，满足设计规范要求。计算结果表明：“化整为零”的技术方案有效减小了圆弧段的反拱作用，降低了水平拉应力。实际工程中，设计可将圆弧段等分成6段小圆弧，从而使防渗墙水平应力能有一定的安全度。

图7 工况（2）第一主应力

5 结语

上海青草沙水库工程东堤圆弧段受到双向水头作用，导致该部分的防渗墙受力复杂。为了克服圆弧段防渗墙在反拱作用下的不利影响，确保水库东堤圆弧段防渗墙在双向水头作用下的安全运行，根据初拟设计方案，利用有限元软件，建立三维东堤圆弧段有限元模型，对双向水头作用下的东堤圆弧段进行了数值模拟研究，计算结果表明：对于工况2，防渗墙的最大拉应力不满足规范要求。结合工程经验，对该部分防渗墙采取“化整为零”的处理方式，进行防渗墙的优化研究，计算结果表明：“化整为零”的技术方案有效减小了圆弧段的反拱作用，降低了水平拉应力，此工程技术方案可行。研究成果为工程设计提供了理论参考依据。

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