楊樹祺

(東莞市東莞大堤管理處,廣東 東莞 523000)

1 概 述

近年來,由于經(jīng)濟的快速發(fā)展,對自然環(huán)境造成較大破壞,提高了自然災害出現(xiàn)的頻率[1],災害類型也逐漸増多。在各類災害中,洪水所影響的范圍和造成的損失較大,且發(fā)生的頻率較高[2]。為了應對洪水災害,采取許多工程措施,如新建水利大壩、防洪堤、修復老舊水庫等,均取得了顯著效果。其中,防洪堤因其施工方便、性價比較高等優(yōu)點而廣泛應用在防洪工程建設(shè)中[3-5]。因此,研究防洪堤在使用時的受力和變形尤為重要。

基于此,本文以實際工程為例,分析復合斷面防洪堤的靜力變化特征,其中土堤和混凝土擋土墻相結(jié)合為其結(jié)構(gòu)類型[6],借助有限元分析軟件,模擬其在完建工況和設(shè)計洪水位工況下的變形和應力變化,可為相關(guān)工程提供參考和借鑒。

2 項目概況和建立模型

2.1 防洪堤概況

某河流大壩防洪堤選擇復合斷面的形式,即土堤與混凝土擋墻相結(jié)合的結(jié)構(gòu)類型。混凝土擋土墻高6m,其頂部有高1m的混凝土防浪墻,并將土填在防浪墻后部。其面板厚0.4～0.8m,底板寬4.8～6m、厚0.5～1m,基礎(chǔ)墊層選擇C15素混凝土,厚10cm。防洪堤頂部寬3.7m,背水坡坡比1:1.5,護坡形式選擇生態(tài)袋護坡,在坡腳部位設(shè)置預制混凝土排水溝。為了保證防洪搶險需要,頂部設(shè)置防汛道路,寬3.5m。在上游位置的混凝土墻底部設(shè)置水泥土攪拌樁防滲墻,以此降低浸潤線。參考河流岸坡的地形、地質(zhì)條件開展治理工作,在長期被水流沖刷的位置,選擇混凝土預制六角形磚或漿砌石進行護坡,以提高堤岸的穩(wěn)定性。此種防洪堤形式基礎(chǔ)是原狀地基,防洪墻后有填土,穩(wěn)定性較高,同時造價較低。見表1。

表1 4個典型工作點使用期間的性能參數(shù)

2.2 模型建立

本次研究選擇復合斷面防洪堤的一個典型斷面,開展模擬分析工作。借助有限元分析軟件,根據(jù)復合斷面防洪堤的大小,構(gòu)建其有限元數(shù)值模型。在構(gòu)建模型時,設(shè)置地基基礎(chǔ)的表面高程為0m。本次計算主要包括兩種工況:第一種工況為設(shè)計洪水,即防洪堤前的水位為5.18m,而在防洪堤后沒有水存在;第二種為完建工況,即在防洪堤前后都沒有水存在。參考防洪堤實際大小建立模型,設(shè)置基礎(chǔ)長度和深度分別為10和6m,防洪堤后有交通道路3.5m。

在模型建立過程中,由于各部分材料不同,對應選擇的結(jié)構(gòu)單元也不一樣。針對土堤和基礎(chǔ),選擇Solid45單元;針對混凝土擋土墻,選擇Solid65單元。進行模型網(wǎng)格劃分時,土堤和基礎(chǔ)的網(wǎng)格尺寸均為0.4×0.4×0.4m,混凝土擋土墻的網(wǎng)格尺寸為0.2×0.2×0.2m。在設(shè)置約束條件時,對于基礎(chǔ)底面設(shè)置全約束;土堤和基礎(chǔ)左右兩邊設(shè)置X向約束,前后兩邊設(shè)置Z向約束。表2為模型相關(guān)計算參數(shù),并且地基、土堤和擋土墻的摩擦系數(shù)為0.5。

表2 模型相關(guān)計算參數(shù)

3 靜力分析結(jié)果

根據(jù)復合斷面防洪堤的結(jié)構(gòu)特點,選擇靜力線性對其結(jié)構(gòu)進行分析。在計算結(jié)構(gòu)靜力時,主要以位移和應力兩個角度為出發(fā)點,位移方面要符合國家相關(guān)規(guī)范中的要求,應力方面要達到材料的性能要求。

3.1 設(shè)計洪水工況

根據(jù)現(xiàn)場實際測量,得出防洪堤的內(nèi)摩擦角和彈性模量。當工況為設(shè)計洪水位時,在防洪堤前存在5.18m的設(shè)計水位,在防洪堤后水位則為0,因此會受到揚壓力與水壓力荷載的作用。對防洪堤在這些荷載下的位移變化進行數(shù)值計算,其位移在豎直方向的變化見圖1。

從圖1能夠看出,工況為設(shè)計洪水位時,隨著深度的增加,防洪堤地基沉降值不斷減小,基礎(chǔ)沉降峰值為20mm,位于防洪堤下部。豎直方向上混凝土擋墻的位移峰值為20.3mm,位于混凝土擋墻和踵板相接的右部。結(jié)構(gòu)整體的豎向位移峰值為26.2mm。參考防洪堤設(shè)計規(guī)范,其基礎(chǔ)沉降量符合規(guī)范要求。

圖2、圖3為計算后設(shè)計洪水位工況下豎直和水平位移變化趨勢。由圖2、圖3可知,在自重、水壓力等荷載作用下,混凝土擋墻結(jié)構(gòu)在垂直方向上的位移呈現(xiàn)空間分布形式。在圖2中,Y和軸向位置分別代表混凝土擋墻取點處到其底板表面(垂直)與結(jié)構(gòu)邊緣(水平)的距離,隨著Y值的增大,即混凝土擋土墻高度的提升,其豎向位移也不斷增加,并且同一水平面內(nèi),此豎向位移對稱于擋土墻的肋板。位移峰值位于混凝土擋土墻肋板和面板相接位置,約為19.96mm,其應變處于材料彈性范圍中。

圖2 工況為設(shè)計洪水位時結(jié)構(gòu)豎向位移變化趨勢

圖3 工況為設(shè)計洪水位時結(jié)構(gòu)水平位移變化趨勢

在圖3中,豎向位置和Z分別代表混凝土擋墻取點處到其底板表面(垂直)和結(jié)構(gòu)邊緣(水平)的距離。隨著高度的增大,混凝土擋土墻水平位移也在不斷增大,但同一平面上的水平位移基本一致。水平位移峰值位于混凝土擋土墻面板和肋板相接的頂部,為9.3mm,其應變值也處于材料彈性范圍中。

借助有限元分析軟件開展數(shù)值計算后,得到結(jié)構(gòu)的拉應力和壓應力分別為第1和第3主應力。第1主應力峰值為1.1MPa,出現(xiàn)在防洪堤混凝土擋墻底板和面板相接的位置。根據(jù)國家相關(guān)標準,得到C30混凝土的抗拉強度設(shè)計值(最大拉應力)為1.43MPa,表明在設(shè)計洪水工況下混凝土擋墻的抗拉性能達到設(shè)計標準。第3主應力峰值為1.93MPa,同樣出現(xiàn)在防洪堤混凝土擋墻底板和面板相接的位置,并且處于迎水側(cè)。根據(jù)國家相關(guān)標準,得到C30混凝土的抗壓強度設(shè)計值(最大壓應力)為14.3MPa,表明在設(shè)計洪水工況下混凝土擋墻的抗壓性能達到設(shè)計標準。

3.2 完建工況

在完建工況下,復合斷面防洪堤前后水位均為零。因此,不存在揚壓力和水壓力荷載,僅在自重荷載下開展數(shù)值計算與分析。經(jīng)過數(shù)值計算和結(jié)果的整理后,防洪堤在豎直方向上沉降位移見圖4。

圖4 完建工況時復合斷面防洪堤位移云圖

由圖4可知,防洪堤地基沉降值會隨著深度的提高而不斷降低,基礎(chǔ)沉降量峰值為21mm,位于防洪堤下部?；炷翐跬翂υ诖怪狈较虻奈灰品逯禐?2.3mm,位于混凝土擋墻和踵板相接的右側(cè)。整體結(jié)構(gòu)在垂直方向上的位移峰值為28.2mm,位于土堤頂部。參考防洪堤相關(guān)設(shè)計標準,防洪堤沉降量在規(guī)定范圍內(nèi)。

整理匯總計算結(jié)果后繪制成圖,得到完建工況下位移變化趨勢,見圖5、圖6。在圖5中,Y和軸向位置分別代表混凝土擋墻取點處到其底板表面(垂直)與結(jié)構(gòu)邊緣(水平)的距離,隨著Y值的增大,即混凝土擋土墻高度的提升,其豎向位移也不斷增加。位移峰值位于混凝土擋土墻肋板和面板相接位置,約為16.89mm,其應變處于材料彈性范圍中。

圖5 完建工況下結(jié)構(gòu)豎向位移變化趨勢

圖6 完建工況下結(jié)構(gòu)水平位移變化趨勢

在圖6中,豎向位置和Z分別代表混凝土擋墻取點處到其底板表面(垂直)和結(jié)構(gòu)邊緣(水平)的距離。隨著高度的增大,混凝土擋土墻水平位移也在不斷增大,但同一平面上的水平位移基本一致。水平位移峰值位于混凝土擋土墻面板和肋板相接的頂部,為4.3mm,其應變值也處于材料彈性范圍中。

借助有限元分析軟件開展數(shù)值計算后,得到結(jié)構(gòu)的拉應力和壓應力分別為第1和第3主應力。第1主應力峰值為1.25MPa,出現(xiàn)在防洪堤混凝土擋墻底板和面板相接的位置。根據(jù)國家相關(guān)標準,得到C30混凝土的抗拉強度設(shè)計值(最大拉應力)為1.43MPa,表明在設(shè)計洪水工況下混凝土擋墻的抗拉性能達到設(shè)計標準。第3主應力峰值為2.57MPa,同樣出現(xiàn)在防洪堤混凝土擋墻底板和面板相接的位置,并且處于迎水側(cè)。根據(jù)國家相關(guān)標準,得到C30混凝土的抗壓強度設(shè)計值(最大壓應力)為14.3MPa,表明在設(shè)計洪水工況下混凝土擋墻的抗壓性能達到設(shè)計標準。

4 結(jié) 論

為了分析復合斷面防洪堤靜力變化特征,本次研究借助有限元分析軟件,模擬其在完建工況和設(shè)計洪水位工況下的變形和應力變化。結(jié)論如下:

1)工況為設(shè)計洪水位時,隨著深度的增加,防洪堤地基沉降值不斷減小,基礎(chǔ)沉降峰值為20mm,位于防洪堤下部。豎直方向上混凝土擋墻的位移峰值為20.3mm,位于混凝土擋墻和踵板相接的右部。結(jié)構(gòu)整體的豎向位移峰值為26.2mm。參考防洪堤設(shè)計規(guī)范,其基礎(chǔ)沉降量符合規(guī)范要求。

2)隨著混凝土擋土墻高度的提升,其豎向位移也不斷增加,并且同一水平面內(nèi),此豎向位移對稱于擋土墻的肋板。位移峰值位于混凝土擋土墻肋板和面板相接位置,約為19.96mm,其應變處于材料彈性范圍中。隨著高度的增大,混凝土擋土墻水平位移也在不斷增大,但同一平面上的水平位移基本一致。水平位移峰值位于混凝土擋土墻面板和肋板相接的頂部,為9.3mm,其應變值也處于材料彈性范圍中。借助有限元分析軟件開展數(shù)值計算后,得到結(jié)構(gòu)的拉應力和壓應力分別為第1和第3主應力,兩主應力峰值均達到設(shè)計標準。

3)在完建工況下,防洪堤地基沉降值會隨著深度的提高而不斷降低,基礎(chǔ)沉降量峰值為21mm,位于防洪堤下部。混凝土擋土墻在垂直方向的位移峰值為22.3mm,位于混凝土擋墻和踵板相接的右側(cè)。參考防洪堤相關(guān)設(shè)計標準,防洪堤沉降量在規(guī)定范圍內(nèi),且應變值也處于材料彈性范圍中,表明結(jié)構(gòu)的拉應力和壓應力均達到設(shè)計標準。