高 飛

(廣東粵源工程咨詢有限公司，廣州 510635)

1 概 述

水閘的設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)是水利工程中重要研究課題，其中又以涵洞式水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為難點(diǎn)，開(kāi)展涵洞式水閘安全穩(wěn)定性設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算對(duì)工程質(zhì)量安全具有重要作用[1-3]。涵洞式水閘的穩(wěn)定性與上覆填土層的負(fù)載息息相關(guān)，研究填土層力學(xué)狀態(tài)對(duì)探討涵洞安全性具有重要啟示作用。由于填土層土料的力學(xué)性質(zhì)與穩(wěn)定性有關(guān)，因而張磊[4]、趙萬(wàn)杰等[5]、魏常琦[6]通過(guò)室內(nèi)精密土工儀器設(shè)計(jì)開(kāi)展土體的滲透、力學(xué)基礎(chǔ)試驗(yàn)，獲得土體重要滲流參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，為涵洞變形、承載設(shè)計(jì)提供重要試驗(yàn)依據(jù)。另一方面，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)獲取到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可較好反映土體穩(wěn)定性狀態(tài)，因而一些水閘等水工建筑中布設(shè)有監(jiān)測(cè)傳感器，通過(guò)分析工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，為水利工程運(yùn)營(yíng)提供重要預(yù)判參考[7-9]。

不論是室內(nèi)試驗(yàn)亦或是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，一定程度上均是需要大量的精力與成本，而離散單元法作為一種研究土顆粒、混凝土材料的重要仿真計(jì)算手段，借助其開(kāi)展土體等巖土材料在水利工程運(yùn)營(yíng)荷載下的力學(xué)特征分析，為實(shí)際工程提供重要的計(jì)算參考[10-11]。本文利用離散單元法與PFC顆粒流軟件，建立涵洞式水閘上覆填土層顆粒模型，開(kāi)展填土層應(yīng)力、變形場(chǎng)分析，為工程安全設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)提供重要參考。

2 離散單元法求解與建模

2.1 工程概況

粵北地區(qū)由于水利資源分布不均，規(guī)劃修建一座水資源中轉(zhuǎn)調(diào)度樞紐工程，該樞紐工程包括蓄水池、抽水泵站、攔污柵、承重結(jié)構(gòu)墩、輸水灌渠以及涵洞式水閘。承重結(jié)構(gòu)墩承擔(dān)著泵站所涉及的水工建筑承載作用，直徑參數(shù)設(shè)計(jì)為1.2 m，采用C35混凝土一體式澆筑形成，布設(shè)有預(yù)應(yīng)力錨索作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，錨塊與攔污柵端面為接觸式連接方式，錨塊尺寸為0.6 m×1 m，其中，主錨索共有12根，間距設(shè)定為60 cm，次錨索可承擔(dān)1 500 kN張拉噸位，最外側(cè)次錨索位于墩斷面內(nèi)側(cè)30 cm處，確保張拉結(jié)構(gòu)與承重結(jié)構(gòu)具有良好的適應(yīng)性。所建設(shè)的輸水灌區(qū)總長(zhǎng)度跨越為65 km，可實(shí)現(xiàn)3.333 3×104hm2農(nóng)田灌溉，確保灌區(qū)即使枯水季缺水率也不超過(guò)1%，極大保障了區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水安全性，彌補(bǔ)了地區(qū)內(nèi)水資源時(shí)空不均的現(xiàn)狀。

灌區(qū)渠道采用土工格柵作為加固材料，一方面提升渠道襯砌結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性，另一方面極大保障了輸水效率，降低輸水損耗度。渠道基礎(chǔ)位于低下粉質(zhì)壤土層中，承載能力適中，土顆粒最大粒徑不超過(guò)4 mm，含水率為13%～22%，全渠道最大滲透坡降不超過(guò)0.2，滲流穩(wěn)定性較佳。目前，工程設(shè)計(jì)部門主要針對(duì)解決涵洞式水閘可靠性運(yùn)營(yíng)。該水閘設(shè)計(jì)為涵洞輸水控水形式，上覆具有一定高度填土，土料主要以壤土、粉質(zhì)黏土夾雜為主，由于上覆填土應(yīng)力位移場(chǎng)勢(shì)必會(huì)受到水閘兩側(cè)土體影響，造成土壓力或沉降位移變化，對(duì)水閘長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有重要影響，特別是上覆填土與兩側(cè)原生土沉降變形差，對(duì)水閘會(huì)產(chǎn)生顯著壓力損傷效應(yīng)[12-13]。為此，筆者主要根據(jù)實(shí)際水閘工作狀態(tài)以及土體物理力學(xué)狀態(tài)開(kāi)展離散元仿真計(jì)算，為準(zhǔn)確評(píng)估涵洞式水閘上覆填土體力學(xué)穩(wěn)定性提供重要參考。

2.2 離散單元法與建模分析

離散單元法主要通過(guò)借助顆粒流軟件建立顆粒模型，按照實(shí)際工況下顆粒荷載約束條件進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)求解。其中，顆粒模型采用Clump模板，按照?qǐng)A形顆粒生成顆粒集合體，以約束條件作為求解變量，按照顆粒運(yùn)動(dòng)場(chǎng)方程求解顆粒模型中離散解[14-15]。本文計(jì)算模型中土體最佳含水量采用擊實(shí)試驗(yàn)中測(cè)定值16.8%，壓縮模量為7.2 MPa，以室內(nèi)不固結(jié)不排水試驗(yàn)測(cè)定抗剪參數(shù)分別為31 kPa和30°，土料壓實(shí)度為80%，按照工程現(xiàn)場(chǎng)填土厚度以及土層狀態(tài)，本文離散單元法計(jì)算中設(shè)定水閘頂延伸與底影響寬度比α參數(shù)為1，水閘兩側(cè)土體邊坡坡度β參數(shù)為60°，所設(shè)計(jì)方案幾何模型圖見(jiàn)圖1。

圖1 涵洞式水閘幾何模型(α=1，β=60°)

本文離散單元法求解主要依靠PFC 3D仿真平臺(tái)，按照分層構(gòu)建顆粒模型的原則，逐步建立離散元仿真顆粒模型，從大面積顆粒重疊至消除折疊，再通過(guò)移動(dòng)顆粒模型頂、底板約束條件改變其內(nèi)部孔隙度，直至顆粒模型基本參數(shù)符合工程實(shí)際狀態(tài)各層填土料，各步驟建立模型過(guò)程見(jiàn)圖2。顆粒模型中所涉及的邊界條件，包括水閘邊界、涵洞以及地基等構(gòu)件均采用剛體單元，且其與土顆粒模型的接觸界面服從線性模型[16-17]。

圖2 PFC建模過(guò)程

為保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性與合理性，在顆粒模型中建立應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，按照模型最大顆粒尺寸監(jiān)測(cè)原則，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)見(jiàn)圖3。A-H測(cè)點(diǎn)為應(yīng)力場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可獲得涵洞上覆土層中不同高度處的土壓力分布狀態(tài)，頂面I測(cè)點(diǎn)可獲得最上覆土層豎向土壓力，位移測(cè)點(diǎn)按照A-H分布范圍內(nèi)均衡布設(shè)。

圖3 應(yīng)力、變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

3 涵洞上覆填土位移場(chǎng)特征

3.1 測(cè)點(diǎn)平面上位移

經(jīng)離散單元法仿真求解，獲得涵洞上覆填土料位移場(chǎng)分布特征，見(jiàn)圖4。從圖4中各測(cè)點(diǎn)平面上豎向位移分布曲線可知，在A-B測(cè)點(diǎn)平面上，豎向位移呈V形，在C測(cè)點(diǎn)平面后，豎向位移曲線呈倒V形，表明豎向位移在上覆填土層厚度超過(guò)C測(cè)點(diǎn)后發(fā)生較大逆轉(zhuǎn)性變化，變化拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的填土層厚度為0.59 m。從8個(gè)測(cè)點(diǎn)平面上豎向位移變化趨勢(shì)可知，距離涵洞愈高，則豎向位移值愈大，即涵洞上覆填土層厚度與豎向位移具有正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)均處于涵洞中點(diǎn)時(shí)，A測(cè)點(diǎn)平面的豎向位移值為0.012 6 mm，而C測(cè)點(diǎn)、F測(cè)點(diǎn)、H測(cè)點(diǎn)平面上相應(yīng)的涵洞中點(diǎn)豎向位移相比前者分別增大8.4倍、15.3倍和17.9倍。分析認(rèn)為此與土層自重應(yīng)力有關(guān)，當(dāng)上覆填土層厚度遞增，實(shí)質(zhì)上增加了豎向荷載，為豎向位移的發(fā)展提供了“動(dòng)力”，表現(xiàn)在豎向位移遞增，本質(zhì)上亦造成了涵洞受到較大沉降位移。從涵洞中點(diǎn)位移遞增態(tài)勢(shì)可發(fā)現(xiàn)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)平面之間豎向距離為11.4 cm，當(dāng)測(cè)點(diǎn)平面豎向距離遞增11.4 cm，上覆填土層豎向位移平均遞增85.9%；而從幅度遞增過(guò)程中亦可知，在上覆填土層厚度增長(zhǎng)前期，豎向位移的增長(zhǎng)速度顯著，表現(xiàn)在A測(cè)點(diǎn)-E測(cè)點(diǎn)平面，測(cè)點(diǎn)平面豎向距離遞增11.4 cm，涵洞中點(diǎn)位移遞增1.45倍；而在上覆填土層達(dá)到一定程度后，豎向位移的增長(zhǎng)速度放緩，表現(xiàn)在E測(cè)點(diǎn)-H測(cè)點(diǎn)平面，測(cè)點(diǎn)距離增大11.4 cm，涵洞中點(diǎn)位移增長(zhǎng)幅度僅為9.4%。從同一測(cè)點(diǎn)平面上豎向位移分布可知，涵洞兩側(cè)土體豎向位移量值均為一致性，在位移變化曲線中呈對(duì)稱式分布，且涵洞兩側(cè)豎向位移在各豎向測(cè)點(diǎn)間幅度差異低于涵洞中點(diǎn)，在距離涵洞中點(diǎn)0.1 m處，C測(cè)點(diǎn)、F測(cè)點(diǎn)、H測(cè)點(diǎn)平面上相應(yīng)的豎向位移相比A測(cè)點(diǎn)分別增大2.6倍、5.2倍和7.1倍，表明豎向位移的發(fā)展很大程度上對(duì)涵洞中點(diǎn)影響最大。

從不同平面位置處相對(duì)位移變化曲線可知，A測(cè)點(diǎn)至C測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移變化幅度可達(dá)115%，而在C測(cè)點(diǎn)之后，相對(duì)位移變化幅度較小，各測(cè)點(diǎn)間最大變化幅度僅為10%，其變化拐點(diǎn)與圖4(a)中豎向位移分布形態(tài)變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)一致。從相對(duì)位移分布量值可知，C測(cè)點(diǎn)后相對(duì)位移均為負(fù)值，表明位移處于負(fù)方向的沉降，而在A、B測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移分別為0.031和0.006 mm，均為正值，表明A、B測(cè)點(diǎn)處土層還并未處于顯著沉降。

圖4 上覆填土層位移特征

綜上分析可知，涵洞式水閘上覆填土層厚度超過(guò)0.59 m時(shí)，位移處于向下沉降，對(duì)涵洞具有“下拱”效應(yīng)。

3.2 填土高度上位移

圖5為涵洞上覆填土層不同厚度下顆粒模型豎向位移分布狀態(tài)。為分析方便，本文將不同填土層厚度均借助同一涵洞高度h為對(duì)比參數(shù)，分別為1.5h、2h、3h和4h。對(duì)比4個(gè)不同土層厚度下土體位移分布可知，當(dāng)填土高度低于1.5h時(shí)，上覆填土層中位移分布呈W形，兩側(cè)土體的豎向位移差較大，最大豎向位移逐步靠近涵洞中點(diǎn)；在填土層厚度為2h時(shí)，僅在涵洞上方區(qū)域內(nèi)存在W形分布，而在頂部土層中豎向位移呈U形分布，兩種分布形態(tài)之間的位移差較??；當(dāng)填土層厚度為3h和4h時(shí)，豎向位移分布均為U形，呈現(xiàn)涵洞內(nèi)側(cè)土體位移總高于兩邊外側(cè)土體位移，涵洞中間土體位移較大，易發(fā)生失穩(wěn)滑移。圖5中黑線標(biāo)注為涵洞內(nèi)、外側(cè)土體最大豎向位移相等平面高度，從等位移線發(fā)展趨勢(shì)可知，其隨填土層厚度遞增，而逐漸降低并趨于平穩(wěn)狀態(tài)，填土厚度為3h和4h時(shí)，等位移線所處高度均為1h，等位移線的降低表明涵洞兩外側(cè)填土位移的發(fā)展逐步靠攏涵洞內(nèi)部中點(diǎn)處。

圖5 不同填土厚度下顆粒模型豎向位移分布

4 涵洞上覆填土應(yīng)力場(chǎng)特征

離散單元法不僅能計(jì)算出涵洞上覆填土層中位移變化，亦可獲得應(yīng)力場(chǎng)分布特征，見(jiàn)圖6。從圖6可知，土壓力以涵洞上方測(cè)點(diǎn)為最大，隨距離涵洞上方愈大，土壓力愈低，涵洞中點(diǎn)處A測(cè)點(diǎn)的土壓力為19.7 kPa，而在C測(cè)點(diǎn)、F測(cè)點(diǎn)、H測(cè)點(diǎn)的土壓力相比之降低了48.2%、78.4%和95.3%。從整體土壓力分布形態(tài)可知，A-D測(cè)點(diǎn)間涵洞內(nèi)外側(cè)土體中土壓力分布具有顯著差異，以涵洞中點(diǎn)土壓力為最大。在B測(cè)點(diǎn)中，兩側(cè)土壓力相比涵洞中點(diǎn)處降低17.5%和37%；但在D-H測(cè)點(diǎn)中，涵洞內(nèi)外側(cè)土體中土壓力基本一致，差異幅度微?。辉贕測(cè)點(diǎn)中，兩外側(cè)土體壓力為2.7和2.83 kPa，與涵洞中點(diǎn)內(nèi)側(cè)土壓力相差無(wú)幾。分析表明，當(dāng)填土層厚度遞增，涵洞中點(diǎn)內(nèi)側(cè)土體產(chǎn)生的壓應(yīng)力會(huì)傳遞至兩外側(cè)土體內(nèi)，進(jìn)而表現(xiàn)同一側(cè)點(diǎn)上涵洞內(nèi)外側(cè)土壓力達(dá)到相等態(tài)勢(shì)。

圖6 上覆填土層應(yīng)力特征

從涵洞內(nèi)外側(cè)土體相對(duì)壓應(yīng)力變化可知，隨著填土層厚度增加，相對(duì)土壓力逐漸遞減至負(fù)值并達(dá)到穩(wěn)定，A點(diǎn)相對(duì)土壓力為9.4 kPa，而在G、H測(cè)點(diǎn)處相對(duì)土壓力分別為-0.01和-0.17 kPa。這主要是由于涵洞中點(diǎn)內(nèi)側(cè)較大的土壓力傳遞至外側(cè)，造成內(nèi)側(cè)土壓力低于外側(cè)土壓力，進(jìn)而表現(xiàn)相對(duì)土壓力處于負(fù)值區(qū)間。但在內(nèi)外側(cè)土體相互摩擦傳遞過(guò)程中，土壓力會(huì)逐步過(guò)渡至穩(wěn)定狀態(tài)，即隨著填土層厚度增大，相對(duì)土壓力穩(wěn)定在0 kPa左右。

5 結(jié) 論

1) 填土層厚度為0.59 m后，豎向位移分布由V形至倒V形，且涵洞“下拱”效應(yīng)顯著；涵洞上覆填土層厚度與豎向位移具有正相關(guān)關(guān)系；隨涵洞上方距離增大，豎向位移的增長(zhǎng)速度由快至緩，E-H測(cè)點(diǎn)平面間距每增大11.4 cm，涵洞中點(diǎn)位移增長(zhǎng)幅度僅為9.4%。

2) 填土高度由1.5h遞增至4h，位移分布由W形至U形分布，等位移線隨土層厚度增大而遞減至穩(wěn)定狀態(tài)，涵洞外側(cè)土體豎向位移逐步靠攏至內(nèi)側(cè)土體。

3) 隨著填土層厚度增加，土壓力愈低，且相對(duì)土壓力逐漸遞減至負(fù)值并達(dá)到穩(wěn)定， C測(cè)點(diǎn)、F測(cè)點(diǎn)、H測(cè)點(diǎn)的涵洞中點(diǎn)土壓力相比A測(cè)點(diǎn)降低了48.2%、78.4%和95.3%；A-D測(cè)點(diǎn)填土高度區(qū)間，相同測(cè)點(diǎn)平面中土壓力具有顯著差異，但在D-H測(cè)點(diǎn)填土高度，相同測(cè)點(diǎn)平面上土壓力差異較小。