基于Midas GTS 分析项目建设对邻近水闸的影响

梁永祥

（广州市智利达咨询有限公司，广东 广州 511400）

随着城市化进程的加快，城市建设用地愈发紧张，深基坑的建筑工程日益增多。当工程周边环境复杂时，在考虑深基坑自身的稳定和安全时，还要考虑周边建筑的安全性。当周围建筑物离深基坑过近时，应当采取一定的措施来减小工程施工对周边环境的影响[1］。伴随着大量深基坑的应用，如何对深基坑开挖引起的周边环境进行有效的控制，张亚奎[2］、王素霞[3］、华正阳[4］等都对此进行研究和分析。特别是随着有限元计算软件的广泛应用，可以通过计算软件对复杂的建筑结构及地质条件进行模拟，直观准确地反映建筑物的变形情况[5-7］。

为分析项目开发建设时对既有水闸工程的影响，本文以邻近水闸工程的某足球训练基地为例，通过Midas GTS／NX 岩土分析软件，对足球训练基地开发建设期间水闸工程主要建筑物的位移和受力方面进行数值模拟分析，从而研究既有水闸工程的安全状况，确保足球训练基地的施工安全以及已建水闸工程的运行安全。

1 工程概况

广州拟建的某足球训练基地位于广州市番禺区，该地块邻近莲花山水道呈不规则形状，位于亚运城乐羊羊路东侧。项目规划建设用地面积44104 m2，拟建建筑主要包括：球员公寓、酒店、训练馆、设备仓库、球场等。拟建项目位于既有水闸工程的南侧，且部分建筑物已进入河涌及水闸的管理范围内，最大进入距离约88 m，主体建筑与河岸线最小水平净距约80 m，项目红线与河岸线最小水平净距约18 m。拟建项目与既有水闸工程相对位置见图1。

图1 拟建项目与水闸工程相对位置关系图

1.1 工程地质

结合项目地块的勘察资料和水闸的勘察资料，拟建项目的各土、岩层情况如下：

①层：人工填土层，松散，层厚1.0 m～4.9 m，建议地基承载力特征值fak=80 kPa。

②-1 层：粉质粘土层，可塑，层厚0.8 m～4.8 m，建议地基承载力特征值fak=140 kPa。

②-2 层：淤泥质土层，流塑，层厚8.7 m～21.6 m，建议地基承载力特征值fak=70 kPa。

②-3 层：粉质粘土层，可塑，层厚1.2 m～7.4 m，建议地基承载力特征值fak=160 kPa。

②-4 层：中粗砂层，稍密，层厚1.5 m～11.0 m，建议地基承载力特征值fak=160 kPa。

②-5 层：粉质粘土层，可塑，层厚1.7 m～4.1 m，建议地基承载力特征值fak=160 kPa。

③层：粉质粘土层，硬塑，层厚1.3 m～5.4 m，建议地基承载力特征值fak=220 kPa。

④-1 层：全风化粉砂岩层，坚硬土状，层厚1.5 m～6.7 m，建议地基承载力特征值fak=350 kPa。

④-2 层：强风化粉砂岩层，半岩半土状和土夹碎石状，层厚1.2 m～10.5 m，建议地基承载力特征值fak=500 kPa。

1.2 水文地质

根据钻探揭露及钻孔地下水位观测，填土层、冲积层粉质粘土、淤泥质土属弱透水层，淤泥质土层为含水而不透水层，中砂层为中等～强透水层，在砂层分布范围内，地下水较丰富，但整个场地砂层分布范围有限。下伏基岩整体分布不均匀，变化较大，基岩裂隙发育，裂隙中赋存有一定的裂隙水，裂隙水量的大小跟裂隙的连通性有关。场地内地下水类型属承压水。勘察区地下水位动态变化一般为0.5 m～2.0 m。

2 三维数值模型

Midas GTS／NX 是一款基于尖端的计算机处理和分析技术研发而成的新一代通用岩土分析软件。该软件包含施工阶段的应力分析和渗透分析等岩土所需的几乎所有分析功能的通用分析软件。

2.1 技术路线

本报告数值分析的技术路线如下:

（1）本构模型选取；

（2）假定与简化条件；

（3）最危险工况及位置的判断及选取；

（4）不同工况下的分析计算；

（5）分析总结及综合评估。

2.2 分析范围

根据拟建项目与水闸的位置关系、项目的施工情况以及水闸的结构资料等，综合确定模型计算范围。模型范围的控制原则为，一方面边界条件不能较大影响研究部位的计算结果（即精度要求），另一方面模型尺寸不宜过大，以节省运算的时间成本。

根据上述原侧，模型宽度范围取300 m，长度范围取380 m，高度范围取60 m，建立的三维数值模型见图2。

图2 三维数值模型整体图

2.3 计算参数

根据地质资料、拟建项目和水闸的结构方案，并结合类似项目工程经验，确定相应的岩土参数及材料参数，根据工程的特点，主要采用的本构模型及单元类型如下：

（1）岩土层及钢筋砼结构采用三维实体单元，基坑围护桩（等效为墙）采用板单元，桩采用植入式梁单元，锚索采用植入式桁架单元。

（2）岩土层采用修正摩尔库仑本构模型，结构物采用弹性本构模型。

模型主要采用的材料计算参数见表1 和表2。

表1 岩土层主要参数表

表2 结构材料主要参数表

2.4 边界条件

（1）位移边界条件：模型底部约束XYZ 方向位移，模型前后两面约束Y 方向位移，模型左右两面约束X 方向位移；

（2）荷载边界条件：自重、河涌水压力及施工荷载。

2.5 模拟工况

针对拟建项目施工的全过程进行三维模拟，共分为4 个模拟步骤（工况），见表3，各模拟工况的有限元模型见图3～图6。

图3 工况1（初始地应力平衡）

图4 工况2（基坑开挖）

图5 工况3（楼房浇筑）

图6 工况4（场地填筑及球场施工）

整体模型中，几个主要的部件分别为楼房、堤围（含挡土墙）、水闸、船闸等，实际建模时，对各结构部件进行等效简化。

3 计算结果影响分析

3.1 位移影响分析

各工况下水闸、船闸的最大位移计算结果见表4。

表4 位移统计表 单位：mm

施工完成后（工况4），水闸的总位移云图见图7，船闸的总位移云图见图8。

图7 水闸总位移（工况4）

图8 船闸总位移（工况4）

分析上述计算结果可知，随着项目施工推进，水闸、船闸等水工建筑的总位移呈现出先增后减再增的趋势，这是因为：

（1）当拟建项目基坑开挖时（工况1），坑底产生回弹而引起周边地表沉降，因此水工建筑物产生轻微下沉和向基坑方向的水平位移。

（2）当拟建项目房屋浇筑时（工况2），房屋对地基产生压缩（因采用桩基，影响较小），引起周边地表轻微隆起，因此水工建筑物产生轻微上浮和背离楼房方向的水平位移，即对工况一有局部抵消效应。

（3）当场地填筑及球场施工时，对原地基产生大面积附加荷载，地基产生压缩和侧向挤出，因此水工建筑物产生上浮和背离楼房方向的水平位移。

3.2 受力影响分析

各工况下水闸、船闸的第一、第三主应力及最大剪应力计算结果见表5。

表5 应力统计表 单位：kPa

表6 相比初始状态的应力变化率统计表 单位：%

施工完成后（工况4），水闸的最大应力变化云图见图9，船闸的最大应力变化云图见图10。

图9 水闸第三主应力（工况4）

图10 船闸第三主应力（工况4）

既有结构的安全性评估主要通过其变形后的最大内力与极限承载力进行对比分析，或应力的变化在其结构的允许范围内，则认为结构是安全的。本拟建项目随着施工推进，水闸、船闸等应力出现重分布，在工况2～工况3 阶段，应力变化极小，在工况4 阶段，应力出现相对较明显变化，变化率处于-1.51%～2.89%之间，尤其是水闸处，应力变化幅度最大。

4 结论与建议

4.1 结论

（1）水闸、船闸等水工建筑的总位移随着拟建项目施工的呈现出先增后减再增的趋势，水工建筑物的总位移最大为水闸靠近右岸处，总位移值为8.23 mm，其中竖向位移值为-4.16 mm，水平位移值为7.11 mm，发生在场地填筑及球场施工阶段。水工建筑物以水平位移为主，且越远离右岸，水工建筑物受到的变形影响越小。

（2）水工建筑物的应力随着拟建项目施工出现重分布，在工况2～工况3 阶段，应力变化极小，在工况4 阶段，应力出现相对较明显变化，变化率处于-1.51%～2.89%之间，尤其是水闸处，应力变化幅度最大，但应力的变化在结构承载力的允许范围内，水工建筑物在结构受力上是安全的。

（3）从数值模拟结果可知，拟建项目施工期间，基坑开挖、楼房浇筑、场地填筑及球场施工等工序对水闸及船闸的受力和变形影响程度较小，水工建筑物处于安全状态范围内，不会危及其安全和正常使用。

4.2 建议

根据模拟分析结果，提出如下建议：

（1）钻孔灌注桩、管桩施工时采取由远到近的施工顺序，先施工离堤岸结构最远的桩。

（2）超载对于水工建筑物的受力和变形均产生不利影响，建议在施工过程中，距离右岸堤围顶净距20 m 范围内，不能堆放施工材料或弃土，不得停放或运行大型施工机械等，如不能满足，则应经进一步验算且采取有效的措施后方可进行。

（3）为保证水工建筑物的稳定和安全，建议在项目施工和运行期加强对水工建筑物的监测，定期根据实测数据复核其是否满足防洪要求。