基于三维数值分析的某城际铁路对水利枢纽的安全影响研究

2016-03-23王敬静刘勇兵贵州省黔南州水利水电勘测设计院贵州都匀558000仙桃市水利水电建筑勘测设计院湖北仙桃4000武汉大学武汉4007

中国农村水利水电 2016年3期

王敬静，刘勇兵，邹勇(.贵州省黔南州水利水电勘测设计院贵州都匀 558000；.仙桃市水利水电建筑勘测设计院，湖北仙桃 4000；.武汉大学，武汉 4007)

1 工程概况

某城际铁路经过江苏省常州市戚墅堰区时，与该区某水利枢纽工程临近，城际铁路将上跨水利枢纽工程泄洪槽，线路距水利枢纽工程主体结构仅19.6 m，两者势必会带来相互影响，两者位置关系见图1。为保证城际铁路桥梁工程和水利枢纽工程的安全建设及运营，通过选取典型地质剖面，采用三维有限元数值模拟分析研究了二者相互之间的安全影响。

图1 城际铁路与水利枢纽位置关系剖面图(单位：mm)

2 技术路线及研究方案

2.1 分析方法

采用三维应力-变形分析方法(FLAC3D)，模拟工程开挖及蓄水过程中的渗流场、应力场、位移场和塑性区分布，探讨开挖护岸翼墙的变形破坏机理，可能的失稳范围和失稳区域，研究提出需要采取的加固处理方案及施工顺序，并做出稳定性评价。

2.2 计算模型

(1)典型剖面段模型。两根支护桩之间的中平面可以视为横河向的对称面(见图2)，根据对称性可知，结构对称面上反对称的内力与位移为零而正对称的内力与位移非零，因此在建立有限元模型时，可以按准平面问题进行简化，即沿横河向取一定长度范围为典型代表区域进行计算。

图2 机厂河三维有限元模型计算范围及典型剖面代表位置(单位：m)

根据计算要求，取x向为横河向，y向为顺河向，z为竖向，向上为正，x方向为固定约束，y、z方向边界均为水平链杆约束。模型计算范围为横向66 m，垂直向71 m(从高程6 m到高程-65 m)。有限元模型对开挖范围，土体质量分类界线等进行了细致模拟，共剖分单元2 127个，结点4 440个。建成的有限元模型概况见图3。

图3 典型坡面有限元模型

(2)水利枢纽三维有限元模型。水利枢纽三维有限元模型建立在局部坐标系(X,Y,Z)下，其X轴为横河向，Y轴为顺河向，Z轴正方向铅直向上。模型计算范围沿X轴向取300 m，沿Y轴向取234 m，垂直向取90 m，沿z轴向145 m(从高程6 m到高程-139 m)。计算模型共剖分单元47 609个，节点50 790个，三维网络及概化有限元模型概况见图4。

图4 机厂河三维有限元模型计算模型

2.3 材料参数确定

土层的参数取值见表1。

表1 各土层材料参数

2.4 计算荷载与工况

2.4.1计算荷载

(1)自重荷载，采用自重荷载产生基坑的初始应力场。

(2)河道内水压力，河道内的水压力包括静水压力和动水压力。

2.4.2计算工况

计算时考虑以下3种工况：①城际铁路桥梁墩基基坑开挖，土体应力释放；②机厂河水利枢纽涨水期；③机厂河水利枢纽退水期(检修期)。

3 桥梁基坑开挖对水利枢纽工程的影响分析

3.1 土体变形分析

3.1.1基坑开挖后边墙水平位移分析

图5给出了基坑开挖完成后，边墙的水平向位移云图及位移矢量图。从图中可以看出，基坑边墙出现向基坑内的侧移，坑外部分土体随之发生向坑内移动或向坑内移动的趋势。基坑侧壁在开挖后水平位移沿深度方向呈曲线分布，最大位移发生在基坑边墙顶部，水平位移随深度的增加而逐渐减小。边墙的最大水平位移为35.4 mm。同时，由云图可知边墙水平位移主要发生在边墙顶部土层部分。

图5 典型剖面基坑开挖完成后边墙的x向位移云图及位移矢量图

3.1.2基坑顶部沉降分析

图6给出了基坑开挖完成后，边墙的z向位移云图。从图6中可知，基坑底部最大回弹位移为11.5 mm，最大沉降位移发生在挡土墙后的位置，基坑顶部的最大沉降量分别为1.45，靠近基坑侧壁的位置发生回桥梁基坑开挖后，桥梁基坑底部出现回弹，基坑最大竖向位移为坑底的变形值，坑底变形值呈现抛物线状，靠近坑壁位置最小。

图6 典型剖面基坑开挖完成后边墙的z向位移云图

3.2 扶壁式挡土墙结构内力分析

扶壁式挡土墙底板采用梁单元模拟，立板采用桩单元模拟。底板梁单元和立板桩单元的计算惯性矩取为挡土墙的等效惯性矩。图8为开挖完成后模拟挡土墙的结构单元轴力变化图。从图7中可知，受基坑开挖的影响，立板承受的最大拉力为78.8 kN，位于立板的最底部。正常运行状态时，挡土墙底板呈现受拉状态，所承受的最大拉力为79.1 kN，位于底板最外缘。