高填方穿壩涵管頂土壓力變化規律數值模擬研究

代玉華

（喀左縣水利局，遼寧喀左122300）

1 工程背景

龍王廟臥虎水庫工程為遼寧省丹東市2018 年本級小型農田水利工程，壩址位于東港市龍王廟鎮臥虎村境內的大洋河支溝上，屬于一座以灌溉為主，兼有防洪功能的小型農田水利工程，工程建成之后可以為龍王廟鎮的5 個自然村提供比較穩定的灌溉水源，對提高當地的農業生產水平具有重要意義。臥虎水庫為均質土壩壩型設計，壩址以上集雨面積為16.45 km2，設計庫容為105 萬m3。水庫的正常蓄水位為354.20 m，設計洪水位為357.74 m，校核洪水位為359.23 m。龍王廟臥虎水庫工程設有1 處供水洞，設計流量為2.0 m3/s，洞身斷面為3.0 m×3.0 m，主要由連接段、閘室、涵洞和出水池等部分組成。由于水庫大壩地質環境不甚理想，因此主要采用穿壩涵管完成水庫的輸水和泄水功能[1]。由于大壩壩高較大，因此涵洞的大部分洞段屬于高填方洞段。從工程實踐來看，高填方涵洞的病害問題始終存在，原因也比較復雜。但是，其主要原因是結構設計計算不合理[2]。例如，在涵洞的土壓力計算過程中，設計人員往往根據一些計算規范進行，而沒有充分考慮涵洞本身的形態、填土性質以及填土高度等因素，因此造成涵洞的尺寸和結構設計不合理[3]。因此，針對具體的涵洞洞型，探求土壓力的敏感因素，完善設計思路，對提高涵洞的設計水平具有重要意義。基于此，此次研究以上述工程背景為依托，利用數值模擬的方法，對高填方穿壩涵管頂土壓力變化規律展開研究，并為涵洞的工程設計提供必要的參考和支撐。

2 ANSYS 有限元計算模型

2.1 軟件

ANSYS 有限元軟件可以進行結構分析、熱分析、電磁場分析、流體分析以及聲場分析，具有十分強大的分析能力，同時還可以在大多數計算機和操作系統下運行，具有良好的人機界面，十分便于用戶使用和操作[4]。ANSYS 軟件包括了前處理、加載求解和后處理模塊，可以方便快捷地進行分析研究。基于上述優勢，此次研究選用ANSYS軟件進行計算模型的構建。

2.2 計算模型的構建

由于涵管的受力和變形表現為比較典型的平面應變特征，研究中不考慮受力和變形的空間效應，因此采用二維平面計算模型即可[4]；另一方面，由于涵管的模型結構具有對稱性，因此在模型的構建中僅取涵洞中心線一側作為模型的構建范圍[5]。結合背景工程涵洞的設計尺寸和相關的研究經驗，計算的寬度為10.0 m，高度為30.0 m。涵洞的高度為3.0 m，寬度為1.5 m。計算模型的側向邊界節點施加水平位移約束，豎向為自由移動；模型的底部施加全位移約束，也就是豎直和水平方向均不可移動[6]；模型的填土表面不施加約束，為自由面條件。涵洞與土體的接觸部位設置Conta171 接觸單元，摩擦系數設定為0.4；目標單元選用Targe169 單元；模型的填土部位采用D-P 模型，單元類型選用Plane42 四節點四邊形單元[7]。涵洞的地基和洞身均為剛性材料假設，模型的網格剖分示意圖如圖1 所示。

圖1 有限元模型示意圖

根據各種材料的受力情況和特征，假定地基和涵洞為線彈性變形，填土和右側的邊坡為理想的彈塑性材料，屈服準則選用修正之后的摩爾-庫倫準則[8]。土體的參數根據實地勘察資料和室內試驗的方法獲取。其中，土體的粘聚力和內摩擦角選用工程現場的填土經過室內固結和三軸試驗測定，土體的彈性模量通過電子萬能試驗機測定，管涵混凝土材料的參數采用施工設計中的數據。各材料的物理力學參數如表1 所示。

表1 各材料物理力學參數

3 計算結果與分析

3.1 固定填土高度

工程中，穿壩涵管在壩體以下部位采用上埋式涵管，大壩下游段采用溝埋式涵管。因此，研究中保持填土高度20.0 m 不變，利用已構建的模型對涵管的垂直土壓力分布和沉降量進行模擬計算，以獲取上述兩個參數的分布規律。

根據計算結果，上埋式涵管的最大垂直土壓力出現在管頂部位，為391.41 kPa，土壓力系數為1.16，說明該部位的垂直土壓力明顯大于覆土自重。究其原因，主要是涵管和填土之間存在剛度差，造成涵管上覆土與兩側土體產生不均勻沉降，從而造成土體內部的荷載傳遞，最終導致兩側土壓力較小，涵管頂部的土壓力較大。溝埋式涵管的情況類似，最大垂直土壓力出現在管頂部位，為351.05 kPa，土壓力系數為1.04，說明該部位的垂直土壓力略微大于覆土自重。由于土拱效應可以減小一部分覆土自重，因此涵管頂部的應力集中現象并不明顯。

在計算結果中提取部分關鍵點位的沉降量數據，結果如表2 所示。由計算結果可知，上埋式涵管上方沉降量較小，兩側的沉降量較大，且沉降量在影響范圍內隨著與中心距離的增大而增大，在影響范圍之外呈現出減小趨勢。溝埋式涵管的中心部位沉降量最大，兩側呈現出逐漸減小的趨勢。

表2 部分關鍵點位沉降量計算結果

3.2 不同填土高度

研究中對兩種不同形式的高填方涵管在不同填土高度下的管頂垂直土壓力進行計算，根據計算結果繪制出如圖2 所示的填土高度與土壓力系數之間的變化曲線。由圖2 可知，在上埋式涵管條件下，填土高度小于10.0 m 時，頂部的垂直土壓力基本等于覆土自重，填土高度大于10.0 m 時，頂部的垂直土壓力大于覆土自重，涵管頂部出現壓力集中現象，在填土高度為20.0 m 至40.0 m 時達到最大，之后趨于減小。對溝埋式涵管而言，當填土高度小于15.0 m 時，由于土拱效應不夠，因此垂直土壓力系數大于上埋式涵管；填土高度大于15.0 m 時，由于土拱效應的增加，垂直土壓力系數小于上埋式涵管，最終土壓力系數逐步穩定于0.85 左右。

圖2 涵管頂部土壓力系數隨填土高度變化曲線

研究中，對兩種不同形式的高填方涵管在不同填土高度下的管頂沉降量進行計算，根據計算結果繪制出如圖3所示的填土高度與沉降量之間的變化曲線。由圖3 可知，涵管中心的沉降量隨著填土高度的增加而增加，且溝埋式管涵的沉降量始終比上埋式涵管的沉降量大，同時，隨著填土高度增加，兩種不同形式涵管的沉降量差距不斷增大。從以上分析可知，上埋式涵管的中心沉降量小于兩側的沉降量，而溝埋式涵管的中心沉降量大于兩側的沉降量，因此兩種涵管的上覆土體運動特征不一致，進而導致上埋式涵管頂土壓力集中，而溝埋式涵管會產生土拱效應，導致涵管頂部的壓力減小，最終導致兩種涵管形式在沉降量上的差異。

圖3 涵管頂部填土高度與沉降量之間的變化曲線

4 結論

此次研究以龍王廟臥虎水庫工程穿越壩體涵管為例，利用數值模擬的方法研究了高填方穿壩涵管頂土壓力變化規律，獲得主要結論如下：

1）上埋式涵管和溝埋式涵管的最大垂直土壓力均出現在管頂部位，且上埋式涵管的土壓力系數明顯偏大。

2）上埋式涵管的上方沉降量較小，兩側的沉降量較大，且沉降量在影響范圍內隨著與中心距離的增大而增大，在影響范圍之外呈現出減小趨勢。溝埋式涵管的中心部位沉降量最大，兩側呈現出逐漸減小的趨勢。

3）在上埋式涵管條件下，頂部的垂直土壓力隨著填土高度的增加而減小；在溝埋式涵管條件下，頂部的垂直土壓力隨著填土高度的增加而增加。

4）涵管中心的沉降量隨著填土高度的增加而增加，且溝埋式管涵的沉降量始終比上埋式涵管的沉降量大，同時，隨著填土高度增加，兩種不同形式涵管的沉降量差距不斷增大。