有限元法在高填方渠道濕陷性黃土地基設計中的應用

楊鎮生，楊松

（1.河北省南水北調工程建設管理局，石家莊 050035；2.河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊 050021）

有限元法在高填方渠道濕陷性黃土地基設計中的應用

楊鎮生1，楊松2

（1.河北省南水北調工程建設管理局，石家莊 050035；2.河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊 050021）

構建渠道有限元三維模型，模擬渠道填筑、蓄水和濕陷性黃土地基濕陷過程，測算地基濕陷區域、范圍及深度的不同對渠道變形影響，進而完成各濕陷性黃土地基處理方案的評估設計。

填方渠道；濕陷性黃土；有限元；三維模型；土擠密樁

南水北調中線工程總干渠永年縣段總長18.19km，在施工期地質勘察發現，已填筑成型渠段為濕陷性黃土地基，濕陷系數0.001～0.08，屬于I（輕微）級非自重濕陷性場地～II（中等）級自重濕陷性場地。為避免高填方段黃土地基濕陷引起渠道不均勻沉降和開裂，利用有限元三維模型模擬濕陷過程，開展高填方段黃土地基濕陷性研究和分析，為方案（保留已填筑渠段+土擠密樁方案）比選和后續施工設計等提供技術支撐。

1 工程概況

南水北調中線工程總干渠為Ⅰ等工程，渠道及其交叉建筑物的主要部位為1級，次要部位為3級。樁號74+657～75+095段為南水北調中線總干渠永年縣段設計單元的一部分，渠道底寬25m，深度7.6m，內、外邊坡1∶2，渠堤頂寬5m。該渠段為半填半挖段，渠底挖深1.4m，渠堤填筑高度6.2m。過水斷面采用C20W6F150混凝土斷面襯砌，渠底厚度8cm，渠坡厚度10cm，防滲采用兩布一膜復合土工膜（150kg/m2-0.3mm-150kg/m2），下墊3cm厚加糙擠塑聚苯乙烯泡沫塑料保溫板。土渠段伸縮縫及沉降縫的間距一般為8.0m，縫寬均為10mm，臨水側2cm采用聚硫密封膏封閉，下部填充聚乙烯低發泡閉孔泡沫塑料板。

2 濕陷系數深度分布規律分析

樁號74+657～75+095渠段地基中濕陷性黃土呈不連續分布狀態，且限于8m深度范圍內，強濕陷性黃土深度主要集中在3，7m位置，在深度8m位置中，黃土地基濕陷性系數基本減小至0。通過模型分析，對樁號74+010～76+210渠段地勘資料濕陷性情況進行綜合分析，地基濕陷性一般隨深度增加逐步降低，絕大多數位置濕陷性集中在0～5m范圍內，表面濕陷性強，極少位置8～10m深度處還存在較強的濕陷性，在12m深度以下，基本沒有濕陷性。

3 濕陷計算分析方法

3.1 計算網絡模型

在三維有限元計算中，綜合樁號74+010～76+210段地勘成果、濕陷性黃土覆蓋范圍、厚度以及渠道填方的設計尺寸，在典型地質剖面基礎上進行概化，建立有限元計算網格。模型長度（沿渠道走向）100m，模型寬度140m，基底海拔高程40m，渠道底面高程82m，渠道外地面高度84m，濕陷性黃土深度14m，渠道填方高度7.6m。有限元計算網格共包括16600個六面體等參單元，19574個節點。

3.2 計算本構模型

計算主要分兩個部分進行：第1部分對渠道填方的填筑、蓄水過程進行模擬，第2部分對假定發生濕陷的黃土地基進行濕陷模擬。填筑、蓄水和濕化過程均采用多個計算步。渠道填筑和蓄水過程的模擬計算采用增量迭代法，本構關系服從Duncan非線性彈性E-B模型。濕陷計算采用初應變法，本構關系服從陳正漢提出的黃土濕陷經驗模型。

3.3 計算參數

地基及填方土的Duncan E-B模型參數進行擬定，如表1所示。

表1 地基及填筑土料Duncan E-B模型計算參數

三維濕陷計算類比了200kPa下濕陷系數6%、干密度1.27g/cm3的某黃土三維濕陷試驗資料，選取基準濕陷計算經驗參數。濕陷計算經驗參數見表2。

3.4 計算方案

計算分析過程中首先按照施工對渠道的填筑過程進行模擬，然后分析渠道蓄水后黃土地基的濕陷變形對渠體的影響；為考慮不同范圍黃土地基發生濕陷對渠道安全的影響，根據發生濕陷的范圍和深度制定了15個計算方案。另外，為了反應濕陷系數隨深度減小的實際情況，同時對比計算對應的濕陷系數隨深度減小的方案為15個。

表2 濕陷計算經驗參數

4 計算成果分析

地基中發生濕陷1/4處是最危險工況，考慮濕陷系數隨深度均勻分布時，濕陷量最大值106cm；而濕陷系數隨深度呈線性減小時，最大濕陷降低至31cm，各計算方案軸向和坡向的應變都不大，均未達到1%。統計結果顯示，濕陷區域面積、濕陷性黃土分布深度與濕陷造成的沉降呈正相關關系，且考慮濕陷系數隨深度呈線性減小相對隨深度均勻分布而言，濕陷導致堤身的變形和變形傾度也有大幅度減小。

樁號74+657～75+095地段中濕陷性黃土主要分布在0～8m范圍內，不考慮和考慮濕陷系數隨深度線性減小時，最危險工況下最大沉降量分別為36cm和26cm，變形傾度分別為0.5%和0.6%，且渠道及地基均不會出現裂縫。

5 方案復核與設計

考慮該渠段臨近村莊，采用強夯和換填均不適合，樁號74+657～75+095段擬定處理方法采用土擠密樁方案。

擬定方案1：不進行處理；擬定方案2：渠底和兩側外坡坡腳以外5m范圍（渠坡下地基不處理）進行擠密樁處理；擬定方案3：渠道底部、兩側內坡4m寬度和兩側外坡坡腳以外5m及坡腳以內5.5m范圍進行擠密樁處理；擬定方案4：渠道底部、兩側內坡9.5m寬度和兩側外坡坡腳以外5m及坡腳以內11m范圍進行擠密樁處理。按接近地基實際的濕陷性系數分布（即自地表向下濕陷性線性減小，偏于保守計地表濕陷系數10%）地質條件下，經復核各方案渠道濕陷變形最大值分別為：45，30，22，12.5cm。

渠道濕陷性黃土地基處理設計方案，兩側外坡腳外5m、左側外坡腳內6m、左側內坡腳外9m、渠底、右側內坡腳外8m和右側外坡內8m范圍內采用土擠密樁，左側堤身范圍內樁長8.5m，渠底樁長4m，右側堤身范圍內樁長6m（樁長均自現狀地面算起）。樁徑40cm，等邊三角形布置，樁心距1.3m。另外，防滲采用兩布一膜復合土工膜的膜厚調整為0.5mm。

6 結語

（1）高填方渠道濕陷性地基處理設計采用服從Duncan非線性彈性E-B和陳正漢提出的黃土濕陷經驗本構關系的濕陷性黃土計算模型，利用模型模擬渠道的填筑、蓄水和濕陷過程，測算不同區域發生濕陷可能造成渠道的沉陷和開裂程度，依此作為高填方渠道濕陷性地基處理設計和安全評估的依據。

（2）經對擬定方案復核驗算，在已填筑成型渠段（樁號74+657～75+095）不拆除的前提下，對渠底及部分渠坡壓占范圍地基（占整個渠道壓占面積的65%）采取土擠密樁處理，即能保證渠道濕陷性沉陷不超過15cm。

［1］中國水利水電科學研究院.南水北調中線一期工程總干渠邯邢段濕陷性黃土高填方渠道安全性研究［R］.2011.

［2］河北省水利水電第二勘測設計研究院.南水北調中線一期工程總干渠河北省永年縣段74+245～75+905渠段濕陷性黃土處理設計變更報告［R］.2011.

［3］JGJ79—2002，建筑地基處理技術規范［S］.

［4］GB50025—2004，濕陷性黃土地區建筑規范［S］.

［5］楊晉營.濕陷性黃土地區渠道基礎處理及防滲措施［J］.水利規劃與設計，2004（3）.

［6］邵生俊，龍吉俊，于清高，等.濕陷性黃土的結構性參數本構模型［J］.水利學報，2006（11）.

Application of Finite Element Method in High Filled Channels of Collapsible Loess Foundation Design

YANG Zhen-sheng1，YANG Song2
（1.South-to-North Water Transfer Project in Hebei Province Bureau of Construction Management，Shijiazhuang 050035，China；2.HebeiProvincialWaterConservancyandHydropowerSecondSurveyandDesignInstitute，Shijiazhuang050021，China）

Constructing the finite element three-dimensional model of channel,simulating the channel filling,storage and collapsible loess foundation collapsibility progress,measuring the effect of foundation collapsible range and depth on channel deformation,and then completing the design and evaluation of collapsible loess foundation treatment scheme.

filled channel；collapsible loess；finite element；three-dimensional model；soil compaction pile

TV223.6

A

1672-9900（2012）06-0077-03

2012-08-28

楊鎮生（1970-），男（漢族），河北河間人，高級工程師，主要從事水利工程設計和建設管理工作，（Tel）13931985266。