京石路改建施工對南水北調大寧調蓄水庫防滲墻安全影響分析

袁鴻鵠, 張如滿, 趙志江, 孫宇臣, 孫洪升

(北京市水利規劃設計研究院,北京　100048)

0　引言

隨著水庫周邊基礎設施的不斷興建與改造,防滲墻兩側及頂面不可避免的遭遇回填土體工程的施工擾動與作用,使得防滲墻中的應力應變發生變化,原有防滲能力弱化,未來運行安全可靠性受到威脅[1-5]。

京石高速公路(五環路—趙辛店立交段)改建工程京石路路基大部分近平行布置于大寧水庫西堤已建防滲墻西側,新填筑路基坡頂線與防滲墻距離17～21 m,坡腳線與防滲墻距離僅5～7 m,路基的填筑在塑性防滲墻上方增加了大量附加荷載,可能對塑性防滲墻的安全造成不利影響。本文依據京石路現場路基實際回填施工過程,進行了京石路路基填土施工對大寧水庫防滲墻影響的安全性評估分析,分析防滲墻隨回填施工過程的應力及變形分布規律與特性,對防滲墻的安全性作出評價。

1　工程概況

大寧調蓄水庫是北京市南水北調配套工程的重要工程。水庫位于房山區長辛店鎮大寧村北,水庫左岸是與永定河主河槽分隔的中堤,西堤與現狀京石高速公路路基重合,主、副壩位于庫區下游南側,水庫總庫容為4 611萬m3。水庫防滲采取沿庫區四周新建垂直塑性混凝土防滲墻7.84 km,其中西堤防滲墻沿京石高速公路橋下橫穿庫區后,沿西堤臺地平行西堤布置,總長3.22 km,墻厚0.60 m。水庫最大調蓄庫容為3 753萬m3。現狀大寧水庫西堤防滲墻位于庫區西堤平臺,距京石高速公路東側坡腳15～20 m。防滲墻厚0.60 m,墻深一般12～18 m,墻底嵌入半膠結基巖2 m,采用兩鉆一抓法施工,槽段長6.2 m,墻體為塑性混凝土,設計抗壓強度2 MPa。地面防滲墻施工導墻高1.0 m,底座寬1.0 m、高0.3 m,底座以上的導墻厚0.4 m,C15鋼筋混凝土澆筑。目前該段防滲墻已施工完成。

京石高速公路是中國早期一條全封閉全立交式高速公路,連接了北京、涿州、保定和石家莊,是北京西南方向重要的對外交通走廊。京石高速公路(五環路—趙辛店立交段)全長約4.5 km,該段為雙向四車道加連續停車帶,目前交通量已遠遠超出設計通行能力,交通擁堵現象嚴重。為此,北京市政府決定對本段京石路進行拓寬改造,路基加寬后為三上三下加硬路肩,全寬33.25 m。

該公路改建工程大寧水庫庫區段,從京石高速公路橋開始(樁號K9+476)至水庫主壩右壩肩結束(樁號K12+570),總長度約3 094 m。該公路庫區路基改建拓寬段與已建大寧調蓄水庫西堤防滲墻近距離平行、交叉段長約2 247 m(樁號K10+102～K12+349)[6]。

京石路基擴建設計方案:本段京石路路基擴建,在現狀路基東側單向東加寬8.25 m,加寬部分仍位于已建防滲墻西側,與防滲墻近平行布置,京石路路基樁號K10+241～K12+349(防滲墻樁號XD0+812～XD2+920),新填筑路基坡頂線與防滲墻距離17～21 m,坡腳線與防滲墻距離5～7 m,填筑料以碎石土為主,路基外坡坡比1∶1.5。京石路基施工方案:①路基回填,每層填土厚度約0.3 m;②路基夯實碾壓,較窄處采用小型設備或人工夯實,相對較寬處采用大型設備夯實或碾壓設備壓實。

2　數值模型

2.1　計算模型

模型詳細模擬了京石高速公路(五環路—趙辛店立交)及北京市南水北調配套工程大寧調蓄水庫防滲墻,模型大小滿足計算精度要求。

計算選取一般路基擴寬段典型斷面進行分析,斷面位于路基樁號K10+297處,經復核,京石高速公路(五環路—趙辛店立交)與北京市南水北調配套工程大寧調蓄水庫防滲墻的最近距離為5.0 m。

京石路堆土及防滲墻的位置關系如圖1所示,所建立的計算模型的二維網格模型圖如圖2所示。二維模型長80 m,垂直向上方向為Y軸正方向,共劃分四邊形單元3 460個,節點7 152個。

圖1　京石路堆土、防滲墻布置圖

圖2　計算網格模型

2.2　計算參數

根據《北京南水北調大寧水庫初步設計工程地質勘察報告》、《北京南水北調大寧水庫防滲墻計算報告》及以往南水北調中線工程計算分析的相關經驗,計算時選用參數詳見表1。土體及防滲墻采用莫爾庫侖模型,導墻采用彈性模型。

表1　材料參數表

2.3　邊界條件及結構荷載

模型側面和底面為位移邊界,模型兩側的位移邊界是約束水平移動;底部邊界為固定邊界,約束其水平移動和垂直移動。模型上邊界為地表,為自由邊界。

防滲墻結構所受荷載主要為恒荷載,荷載類型圍巖壓力和結構自重兩種。

京石路改建工程對防滲墻的作用荷載主要包括堆土自重及土體碾壓機械荷載兩個部分。

2.4　施工工序

本次安全性評估主要進行京石路改建工程對防滲墻的影響分析。由于本影響分析主要考慮京石路改建工程對防滲墻的附加作用,塑性防滲墻及剛性防滲墻在京石路改建工程施工前已達到平衡,變形分析中僅考慮了京石路改建工程引起的附加變形,防滲墻原有的變形未予考慮。故此,計算時分為三個計算步驟:①土體自重平衡;②塑性防滲墻及剛性防滲墻的自重平衡;③清除塑性防滲墻及剛性防滲墻自重平衡下的位移,進行京石路堆土模擬。其中,京石路堆土模擬工序共分16步進行,具體為:工序1,堆第一層土體 (0～1 m);工序2,碾壓第一層土體;工序3,堆第二層土體(1～2 m);工序4,碾壓第二層土體;工序5,堆第三層土體(2～3 m);工序6,碾壓第三層土體;工序7,堆第四層土體(3～4 m);工序8,碾壓第四層土體;工序9,堆第五層土體(4～5 m);工序10,碾壓第五層土體;工序11,堆第六層土體(5～6 m);工序12,碾壓第六層土體;工序13,堆第七層土體(6～7 m);工序14,碾壓第七層土體;工序15,堆第八層土體 (7～8 m);工序16,碾壓第八層土體。

3　變形結果分析

3.1　整體變形分析

京石路堆土完成后整體的位移等值線云圖如圖3所示。其中,圖3-a為整體的豎直方向位移等直線云圖,圖3-b為整體的水平方向位移等直線云圖,圖3-c為整體的合位移等直線云圖。京石路堆土變形影響范圍主要位于堆土附近,京石路第一層堆土由于受到后續堆土荷載及碾壓機械荷載的反復作用,變形量最大,最大沉降量為32.89 mm;防滲墻發生的沉降量較小,最大沉降量為5.85 mm。

圖3　整體位移等值線云圖

3.2　防滲墻變形分析

京石路堆土完成后防滲墻的位移等值線云圖如圖4所示。其中,圖4-a為防滲墻的豎直方向位移等直線云圖,圖4-b為防滲墻的水平方向位移等直線云圖,圖4-c為防滲墻的合位移等直線云圖。由于京石路堆土作用對防滲墻周圍土體產生擾動,防滲墻在水平方向的變形表現為防滲墻上部向堆土一側移動,最大移動量為4.04 mm,發生在防滲墻頂部;防滲墻下部向遠離堆土一側移動,最大移動量為3.70 mm,發生在防滲墻中下部;防滲墻在豎直方向的變形表現為整體沉降,最大沉降量為5.85 mm,發生在靠近堆土一側的防滲墻中下部圖4-a。由于京石路堆土距防滲墻較遠及卵礫石具有較大的變形模量,京石路堆土作用對防滲墻變形影響較小,防滲墻最大變形量為7.11 mm。

圖4　防滲墻位移等值線云圖

4　應力結果分析

在第3節中位移等值線云圖的數值皆為京石路堆土單一因素所形成,這是為了定量評價京石路堆土影響所采取的一種顯示方式;而本節中應力云圖的數據皆為應力的最終狀態,是所有因素綜合疊加形成的結果,其數值的正負分別表示拉應力和壓應力。

京石路堆土完成后防滲墻的應力云圖如圖5所示。其中,圖5-a為防滲墻最大主應力等值線云圖,圖5-b為防滲墻最小主應力等值線云圖。

由圖5可知,京石路堆土作用下,防滲墻的最大壓應力值出現在防滲墻的底部,其量值為777.14 kPa;拉應力主要出現在防滲墻頂部,其最大值為4.61 kPa。

圖5　防滲墻應力云圖

圖6與圖5對比可得出京石路堆土對防滲墻產生的附加應力。京石路堆土前后,防滲墻最大及最小主應力出現的位置沒有改變,其中,最大主應力出現在防滲墻的頂部,最小主應力出現在防滲墻底部;由于京石路堆土作用,防滲墻的最大主應力及最小主應力量值發生改變,防滲墻最大主應力從0.48 kPa增大到4.61 kPa,增加了4.13 kPa;最大壓應力從399.41 kPa增大到777.14 kPa,增加了377.73 kPa。

圖6　初始狀態下防滲墻應力云圖

京石路堆土作用下,防滲墻的最大拉應力值4.61 kPa及拉應力增加幅度值4.13 kPa均遠小于防滲墻設計的抗拉強度,防滲墻的最大壓應力值777.14 kPa及壓應力增加值377.73 kPa也遠小于防滲墻設計的抗壓強度2 MPa。

綜上,京石路堆土作用對于防滲墻的應力影響不大,防滲墻應力處于安全狀態。

5　結語

(1)防滲墻在水平方向的變形表現為防滲墻上部向堆土一側移動,最大移動量為4.04 mm,發生在防滲墻頂部;防滲墻下部向遠離堆土一側移動,最大移動量為3.70 mm,發生在防滲墻中下部;防滲墻在豎直方向的變形表現為整體沉降,最大沉降量為5.85 mm,發生

在靠近堆土一側的防滲墻中下部。由于京石路堆土距防滲墻較遠及卵礫石具有較大的變形模量,京石路堆土作用對防滲墻變形影響較小,防滲墻最大變形量為7.11 mm。

(2)防滲墻的最大拉應力值4.61 kPa及拉應力增加幅度值4.13 kPa均遠小于防滲墻設計的抗拉強度,防滲墻的最大壓應力值777.14 kPa及壓應力增加值377.73 kPa也遠小于防滲墻設計的抗壓強度2 MPa。京石路堆土作用對于防滲墻的應力影響不大,防滲墻應力處于安全狀態。

(3)綜合變形及應力分析結果可以得出:基于當前的設計方案及施工方案,京石高速公路(五環路—趙辛店立交段)改建工程對大寧調蓄水庫防滲墻的影響較小,防滲墻處于安全穩定狀態。

參考文獻:

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[6]袁鴻鵠,張如滿.京石高速公路(五環路—趙辛店立交段)改建工程對北京市南水北調配套工程大寧調蓄水庫西堤防滲墻工程安全性評估報告[R].北京：北京市水利規劃設計研究院,2010.