復雜覆蓋層地基上扭面漸變式擋土墻穩定性分析

熊 瑜，張正香

（1.重慶市巴南區水利局，重慶 巴南 401320；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

隨著大渡河干流、金沙江、尼羅河、密西西比河等水能資源的進一步開發，以復雜覆蓋層地基為代表的地質問題日益凸顯。復雜覆蓋層地基分布無規律，結構松散，易產生下沉拉裂等事故，影響工程安全。印度河西水東調的某關鍵工程［1］其覆蓋層高達230 m，運行初期鋪蓋出現大量的裂縫、沉陷坑，需返工處理才重新正常運行，加大了工程投資，延誤了工期，帶來巨大的經濟損失。

擋土墻是抵擋土壓力、防止土體坍塌的建筑物，是水利工程的重要組成部分，由于扭面漸變式擋土墻過流條件好、工程量小，工程設計常采用扭面漸變式擋土墻，但其也有結構復雜、應力分布不均勻的特點。復雜覆蓋層地基上的扭面漸變式擋土墻應用日趨廣泛，且其安全穩定問題復雜多變，需予以重視。

目前，除少數學者從扭面擋土墻的施工技術問題進行研究［2］外，對于復雜覆蓋層地基上扭面漸變式擋土墻的穩定安全問題研究還較少涉及。

本文以某中型水利工程A擋土墻為算例，開展復雜覆蓋層地基上的扭面漸變式擋土墻穩定性分析。首先采用理論公式法研究扭面漸變式擋土墻典型剖面在不同工況下的穩定性，以抗滑穩定安全系數Kc表征［3］；再采用有限元法研究扭面漸變式擋土墻與復雜覆蓋層地基整體在不同工況下的穩定性，以應力分布情況進行量化；最后對兩種研究方法的計算結果進行對比分析。

1 理論公式法與有限元法原理

1.1 理論公式法

理論公式法是將A擋土墻簡化，通過選取典型剖面，根據NB/T 35023—2014《水閘設計規范》，計算土基上沿閘室基礎底面的抗滑穩定安全系數，以其是否小于允許安全系數來判別擋土墻的穩定性。土基上沿閘室基礎底面的抗滑穩定安全系數計算公式：

式中：Kc為抗滑穩定安全系數；f為基礎底面與地基之間的摩擦系數；∑G為作用于基礎底面上的全部豎向荷載；∑H為作用于基礎底面上的全部水平向荷載。

作用在A擋土墻上的主要荷載有：擋土墻自重，上下游靜水壓力、水重、揚壓力、土重、土壓力、淤沙壓力、地震荷載。A擋土墻穩定性分析的計算工況和計算荷載如表1所示。

表1 A擋土墻計算工況及計算荷載

表2 閘址區土層物理力學參數

表3 A擋土墻理論公式計算結果

表4 貼坡段結構應力峰值 MPa

由于A擋土墻（扭面漸變式擋土墻）結構復雜，剖面各不相同，體型差異較大，難以確定安全穩定性最小的剖面，通過理論公式法難以確定A擋土墻的最大基底應力。為明確A擋土墻的最大應力，本文采用有限元法對A擋土墻和復雜覆蓋層地基進行整體研究分析，論證了A擋土墻的穩定性。

1.2 有限元法

本文基于ABAQUS大型三維有限元軟件進行研究分析，建立A擋土墻與復雜覆蓋層地基三維模型并進行多個工況下的穩定計算，以其應力峰值是否小于應力控制標準和地基允許承載力來判別穩定性，其中，有限元法計算工況與理論公式法一致。根據DL/T 5057—2009《水工混凝土結構設計規范》，混凝土承載能力極限狀態表達式為：

式中：γ0為結構重要性系數，取1.0；ψ為設計狀況系數，持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，分別取1.0、0.95和0.85；γd為結構系數，按DL/T 5057—2009《水工混凝土結構設計規范》表5.2.1，當結構為鋼筋混凝土及預應力混凝土時，取1.2；S為承載能力極限狀態的作用效應組合設計值；R為結構構件抗力設計值。

表5 扭面漸變段結構應力峰值 MPa

表6 復雜覆蓋層地基應力峰值 MPa

2 算例理論公式計算與有限元計算分析

2.1 算例工程概況

某中型水利工程位于木里河干流，工程大壩為攔河閘壩，閘址區河床覆蓋層結構復雜，Ⅱ級階地覆蓋層厚達54～56 m，在現今河床部位覆蓋層厚度約為30 m。按其物質組成、結構特征和成因類型，由老至新可分四層，各層在不同部位分布（見表2）。

第①層：冰水堆積（fglQ3）砂土卵（碎）礫石層，主要殘留于河床底部，厚2.0～13.0 m不等。

第②層：沖積堆積（alQ14）漂卵石層，主要分布于左岸Ⅱ級階地沖洪積堆積物之下，厚8.0～13.5 m。

第③層：沖洪積堆積（al+plQ4）含漂（塊）碎（卵）礫石土層，閘址區左岸Ⅱ級階地及河床中連續分布。在階地部位厚度約35 m，在現今河床部位厚度一般12.5～18.0 m。

第④層：沖積堆積（alQ24）含漂砂卵（碎）礫石層，分布于現代河床表層，厚2.5～6.0 m。

此外，分布于兩岸坡腳的崩坡積（col+dlQ4）孤塊碎石（土），厚度5.0～20.0 m，結構松散，架空嚴重。

某中型水利工程采用引水式開發方式，從右至左依次為右岸擋水壩、泄洪閘、沖沙閘和左岸取水口兼擋水壩，取水口側向布置于河床左岸，緊鄰沖沙閘。A扭面漸變式擋土墻布置在取水口清污平臺壩段的上游側，從清污平臺上游側起，采用半重力式，墻頂高程2 215.50m，下游坡比為1∶0.5，向上游漸變為貼坡式。A擋土墻平面布置與剖面（見圖1～3）。

圖1 平面布置示意（單位：m）

圖2 貼坡式擋土墻典型剖面示意（單位：m）

圖3 重力式擋土墻典型剖面示意（單位：m）

2.2 理論公式計算及成果分析

理論公式計算中，在擋土墻貼坡段、扭面漸變段、重力式段分別選取1～2個典型剖面進行穩定計算，A擋土墻典型剖面如圖4所示，穩定計算結果見表3。

分析理論公式計算結果，可知在各工況下，A擋土墻的抗滑穩定安全系數均大于允許安全系數，滿足規范要求，典型剖面均安全穩定。貼坡段的抗滑穩定安全系數最大，安全穩定性較高；扭面漸變段（剖面C）的抗滑穩定安全系數最小，安全穩定性較低。由此可見，扭面漸變段的安全穩定富裕度最小，且其結構復雜，剖面各不相同，體型差異較大，難以確定安全穩定性最小的剖面。因此，扭面漸變段是A擋土墻最危險的部位，為保證復雜覆蓋層地基上扭面漸變式擋土墻的安全穩定，需要采用有限元法對A擋土墻進行整體研究分析。

2.3 有限元計算及成果分析

有限元計算中，采用大型三維有限元軟件ABAQUS，對A擋土墻和復雜覆蓋層地基建立三維模型并進行多個工況下的穩定計算及研究分析。A擋土墻按照實際尺寸進行建模，復雜覆蓋層地基三維模型計算范圍為：A擋土墻沿順水流向兩側各延長30 m；沿A擋土墻墻面到墻背方向延長45 m，沿A擋土墻墻背到墻面方向延長30 m；鉛垂向取A擋土墻建基面以下45 m。復雜覆蓋層地基計算參數根據表2輸入，各工況荷載根據表1計入。為了盡可能真實準確地模擬A擋土墻復雜覆蓋層地基的地質地形特點，復雜覆蓋層地基各層面位置均與實際勘測情況保持一致。A擋土墻三維計算模型網絡劃分示意［4］如圖5所示。A擋土墻與復雜覆蓋層地基有限元計算結果見表4～6。

根據A擋土墻與復雜覆蓋層地基的有限元計算結果可知：

A擋土墻壓應力峰值均小于其壓應力控制標準值，且壓應力峰值均發生在擋土墻與地基交接處。各工況下，扭面漸變段的壓應力峰值均大于貼坡段。

A擋土墻出現了一定范圍的拉應力分布，各工況下，扭面漸變段的拉應力峰值均大于貼坡段。

從順水流向看，貼坡段和扭面漸變段最大順水流向拉應力均發生在擋土墻墻面與臺階交接處，拉應力峰值分別為0.95 MPa和0.97 MPa，拉應力峰值小于拉應力控制標準值。

從垂直水流向看，貼坡段最大垂直水流向拉應力發生在墻面1/3高程處，拉應力峰值0.51 MPa，未超過其拉應力控制標準值；扭面漸變段最大垂直水流向拉應力發生在擋土墻墻背與地基交接處，拉應力峰值為1.49 MPa，拉應力峰值大于拉應力控制標準值，但拉應力峰值較小，拉應力深度較小，根據應力計算值配筋即可滿足結構穩定要求。

從鉛直向看，貼坡段最大鉛垂向拉應力發生在擋土墻墻面與臺階交接處，拉應力峰值1.08 MPa，未超過其拉應力控制標準值；扭面漸變段最大鉛垂向向拉應力發生在擋土墻體頂部，拉應力峰值為1.12 MPa，拉應力峰值大于拉應力控制標準值，但拉應力峰值較小，拉應力深度較小，根據應力計算值配筋即可滿足結構穩定要求。

復雜覆蓋層地基應力以壓應力為主，未出現拉應力，壓應力峰值在0.02～0.45 MPa之間，地基最大壓應力峰值為0.45 MPa，出現在上游Ⅲ類基巖面頂部，地基壓應力均小于壩基允許承載力。

綜上所述，有限元計算中，A擋土墻與復雜覆蓋層地基基本穩定。

2.4 穩定性分析

理論公式計算中，A擋土墻4個典型剖面在各工況下的抗滑穩定安全系數均大于允許安全系數，滿足規范要求，典型剖面均安全穩定。其中，扭面漸變段抗滑穩定安全系數最小，安全穩定富裕度最小，且其結構復雜，剖面各不相同，體型差異較大，難以確定安全穩定性最小的剖面。需要采用有限元法對A擋土墻進行整體研究分析。

有限元計算中，各工況下A擋土墻和復雜覆蓋層地基應力分布符合一般分布規律：A擋土墻與地基均為壓應力，其壓應力峰值均小于其壓應力控制標準值，其中，扭面漸變段的壓應力峰值均大于貼坡段，地基基底未出現拉應力；A擋土墻結構出現了一定范圍的拉應力分布，其中，扭面漸變段的拉應力峰值均大于貼坡段，貼坡段的拉應力峰值均未超過其應力控制標準值，扭面漸變段拉應力峰值部分超過其應力控制標準值，但拉應力峰值量值較小，拉應力深度較小，小范圍的拉應力超過了拉應力控制標準值，通過對扭面漸變段配筋的即可解決其結構安全問題。

由此可見，復雜覆蓋層地基上的A擋土墻基本穩定，扭面漸變段是A擋土墻最危險的部位，需要配筋以滿足結構安全要求。

3 結束語

（1）復雜覆蓋層地基上的A扭面漸變式擋土墻基本穩定。在復雜覆蓋層地基上設計扭面漸變式擋土墻是可行的。

（2）A擋土墻扭面漸變段比貼坡段安全富裕度低，且扭面漸變段結構復雜，是擋土墻最危險的部位，需特別注意。

（3）對于復雜覆蓋層地基上的扭面漸變式擋土墻，建議同時采用理論公式法和有限元計算法進行分析研究，這樣更利于擋土墻的安全。