小浪底引黄工程地下连续墙应力变形分析研究

安静华

小浪底引黄工程地下连续墙应力变形分析研究

安静华

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

小浪底引黄工程取水口施工围堰采用内径30m的圆形地下连续墙，最大墙深53m，连续墙自上而下穿越低液限粘土夹卵石混合土层、砾岩和灰岩地层，工程地质条件差，施工技术难度大。本文对地下连续墙完成后筒体内土体开挖和连续墙拆除施工过程中连续墙的应力变形进行分析，为连续墙的结构设计和施工方案提供依据。

地下连续墙 应力变形 敏感性分析

1 概述

小浪底引黄工程是自黄河干流上的小浪底水利枢纽工程库区向山西省涑水河流域调水的大型引调水工程，是山西省重点工程大水网项目之一。小浪底引水工程取水口布置于黄河岸边小浪底库区，取水方式为岸边固定取水，布置进水塔和引水渠。进水塔施工采用内径为30m的圆形地下混凝土连续墙作为施工围堰，进水塔施工在连续墙筒体内进行，进水塔施工完成后部分筒体拆除。

连续墙自上而下穿越地层：上部为中更新统洪积（Q2

pl）低液限粘土、含砾低液限粘土夹卵石混合土，厚度25～40m，中部为砾岩、砾岩夹泥岩、含石膏泥岩，厚度0～12m，下部为奥陶系中统（O2）薄-中厚层深灰色灰岩、白云质灰岩、白云岩，厚度大于50m。由进水塔结构尺寸确定连续墙采取圆形结构，内径30m，最小深度为42.5m，最大深度为53m。根据小浪底水库运行情况，水位变幅在230～275m高程之间。因此，本工程施工特点为：（1）连续墙穿越地层复杂，工程地质条件差；（2）连续墙结构尺寸大，承受水压力（45m水头）大，且存在水位骤降情况；（3）施工技术难度大。基于以上工程特点，有必要对施工过程中连续墙的安全性进行评估，计算连续墙施工完成后筒体内土体开挖和连续墙拆除施工过程中连续墙的应力变形，从而为连续墙结构设计和施工方案的确定提供依据。取水建筑物及连续墙剖面见图1。

图1 取水建筑物及地下连续墙剖面图

2 地下连续墙应力变形计算14

2.1计算方法

圆形连续墙筒体是利用其圆形结构抵御基坑开挖后周围土体的围压和库水位变幅对筒体产生的水压，该连续墙与现行规范（《建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）》、《水工挡土墙设计规范（SL379-2007）》）中的连续墙和挡土墙的受力结构存在较大差异，无法直接套用规范进行分析，本工程采用有限元仿真分析方法（SAPTIS程序）计算各种工况下连续墙的变形与应力。该程序已成功用于国内十几座大型水利水电工程的仿真分析，取得了很好的应用效益。

2.2计算模型

计算网络：图2为整体计算模型。考虑地质条件，将材料分为O2灰岩微风化区、O2灰岩弱风化区、O2灰岩强风化区、E2pm砾岩和砾岩夹泥岩、Q2pl土体。

边界条件：地下连续墙周边考虑5倍以上地基。地基边界和底部施加法向约束。

图2 计算模型图

施工过程模拟：（1）连续墙筒体内平层开挖，每次开挖深度小于5m；（2）连续墙内进水塔施工完成后，开挖连续墙外的土层和岩体，并按照土坡1：2，岩质边坡1：0.75的比例进行削坡；（3）连续墙拆除，每次拆除高度为5m，与筒体外土层同步拆除。

2.3计算参数

计算参数见表1、表2。

表1 岩体和混凝土材料参数值

表2 土体材料参数值

表3 计算工况表

表4 工况1不同开挖步最大变形与应力

2.4计算工况

计算工况见表3。

3 地下连续墙应力变形分析

3.1初始地应力计算

按照连续墙施工前的材料分区，考虑自重荷载，计算得初始地应力场土体最大竖向应力0.67MPa，侧向压应力0.32MPa，按侧压系数中间值0.48考虑。

3.2基本工况下变形与应力规律

工况1为例，取每一个开挖与拆除步的典型时刻从变形、应力两方面分析。

表4计算结果表明：

（1）基坑开挖后，连续墙总体向基坑内部变形，靠近河床的一侧由于土体较高变形较大，远离河床的一侧变形较小，最大变形出现在土体与岩体的结合部。由于工况1假定土体为均质材料，圆形筒体较好的抵御内部土体开挖后的外部土体的挤压。混凝土弹模取30GPa，土体压缩模量取4.5MPa中间值时，靠近河床一侧的最大变形为3.10mm。

（2）开挖过程中，由于上下游与左右侧受到的荷载不同，连续墙筒体存在局部不均匀变形，连续墙筒体局部产生拉应力。筒体周边土体参数较均匀情况下，部份筒体可能在外侧产生环向拉应力，在内侧产生环向压应力，而部份筒体可能在内侧产生环向拉应力，在外侧产生环向压应力。竖直向也会产生拉应力，拉应力值小于环向。各开挖步最大拉应力为2.01MPa，最大压应力6.31MPa，发生在筒体拆除过程中。

（3）不考虑渗流条件下，连续墙施工过程中，周围土体将发生塑性屈服，但屈服区主要位于筒体中上部周围，连续墙底部周围屈服区较小，且未连通。

3.3参数敏感性分析

参数敏感性分析见表5。

由表5可知：岩土体参数对连续强变形和应力存在较大影响，尤其是当岩土体参数取下限时，最大变形增大为5.24mm，最大拉应力增大为2.24MPa，最大压应力增大为12.51MPa；混凝土弹模由30GPa降为20GPa时，最大变形增大为7.12mm，最大拉应力减小为1.93MPa，最大压应力增大为13.02MPa。

3.4连续墙厚度敏感性分析

连续墙厚度敏感性分析见表6。

表5 不同参数各工况最大变形与应力对比

表6 不同连续墙厚度各工况最大变形与应力对比

表7 不均匀荷载和参数各工况最大变形与应力对比

不同连续墙厚度情况下，基坑开挖时连续墙的变形与应力规律为：连续墙厚度越厚，连续墙的变形越小，应力越小，连续墙厚度由1.5m增加到1.8m时，位移减小约7.7%，拉应力最大值减小2.5%。

3.5不均匀荷载敏感性分析

工况1～工况5均假定不同分区土体和岩体为均质材料，实际上，土体的参数肯定会存在差异，本节研究筒体上下、作用分别为不同材料参数时的连续墙变形和应力。由表7可知：土体参数不均匀时，连续墙变形应力均有较大幅度增大，顺水流方向变形增大为5.26mm，最大拉应力增加为2.11MPa，最大压应力增大为6.95MPa。

3.6连续墙不同拆除方式影响分析

本文研究了连续墙不水平拆除，而采取先拆除迎水面的土体和连续墙。计算表明，如果连续墙不水平拆除，而先拆除缺口，将会使得连续墙圆筒结构破坏，混凝土连续墙的变形和应力均大大增加，最大变形由2.35mm增加到18.21mm，最大拉应力由1.33MPa增加到11.60MPa，最大压应力由4.02MPa增加到41.12MPa，见表8。

表8 不同拆除方式各工况最大变形与应力对比

4 结论

（1）地下连续墙一般是在土质比较松软的厚土层时采用，利用较深的嵌固深度来保持连续墙的稳定。本工程取水口地下连续墙与常规的连续墙有两个差别：①连续墙墙底位于强风化层和弱风化层的分界线上，相对于墙底位于土体中而言，稳定性相对较好；②连续墙形状为圆筒形，连续墙内土体开挖后，承担周围土体围压作用，相对于平面形状的连续墙而言，稳定性较优。将连续墙墙底打入岩基中以及始终保持圆形的连续墙受力结构是保证取水口地下连续墙正常工作的关键。

（2）均匀围压下，圆形连续墙为压应力；连续墙基坑开挖后，靠近库区侧的土体较高，且受下部岩石的影响连续墙筒体的深度不一，基坑开挖过程中，不均匀围压将在局部产生拉应力，最大拉应力发生在拆除过程中。

（3）本工程位于小浪底库区，水位变幅较大，且存在水位骤降的情况，施工时应采取排水措施，保持连续墙外围水位为同一水平层，有利于连续墙筒体的稳定。

（4）连续墙拆除时应确保同水平层同时拆除，避免拆除缺口的不利情况。

（5）筒体周围不均匀渗流对筒体应力和稳定的影响有待于进一步研究。

通过地下连续墙应力变形分析计算，为本工程结构设计和施工方案的确定提供了科学的依据，可作为类似工程设计参考。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.05.014

TV52

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1672-2469（2014）05-0046-05

14作者简介：安静华（1966年—），女，高级工程师。

注：①土的干密度平均值为1.59 t/m3，土粒比重为2.71t/m3，土的饱和容重按1.83t/m3取用；②土体抗压强度不起控制作用，取较大值。③土体屈服准则采用摩尔库伦准则。