廣州鐵路博物館景觀工程對珠江堤岸穩(wěn)定性分析

劉學智

（廣州珠科院工程勘察設計有限公司，廣州 510000）

當前，由于新建工程距離堤防岸坡較近，新荷載是造成國內許多堤防岸坡失穩(wěn)破壞最主要的源頭之一，對周邊人民財產與生命安全存在嚴重威脅，因此，對新建工程臨近堤防岸坡穩(wěn)定性進行研究有著重要意義［1-2］。近年來，很多學者對工程荷載作用下堤防岸坡穩(wěn)定性分析技術開展了大量研究工作，并取得了不少研究成果［3-4］。其中，數值模擬中建立三維模型分析技術，被廣泛應用于各類工程在不同工況作用下的穩(wěn)定性研究等方面［5］。

2018年10月24日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平到荔灣區(qū)西關歷史文化街區(qū)永慶坊考察調研，街察看舊城改造、歷史文化建筑修繕保護情況，并走進粵劇藝術博物館了解粵劇藝術傳承和保護情況，對廣州市荔灣區(qū)歷史文化保護工作給予了高度肯定和重視。正值全省深入學習貫徹習近平總書記視察廣東重要講話精神之際，中國鐵路廣州局集團有限公司恰逢其時，正在全力推動廣州鐵路博物館（詹天佑紀念廣場）建設，旨在更好地保護和利用歷史建筑、恢復歷史風貌，展示廣州鐵路百年風雨歷程，串起鐵路發(fā)展與地區(qū)經濟、民生文化之間“休戚與共、相輔相成”的歷史脈絡，為現代人留存珍貴的歷史文化記憶。鐵路博物館景觀提升工程的開展將會對珠江堤岸的安全產生影響，因此需要采取一定技術手段對珠江堤岸的穩(wěn)定性進行研究。

1 工程概況

本項目鐵路博物館景觀提升工程位于廣州市老城區(qū)西南面的西關黃沙一帶，臨近珠江，該項目的實施將在臨珠江鋪設鐵路軌道并放置一定數量的機車頭，鐵路軌道及部分車頭位于珠江堤防38m管理范圍，其中距離堤防最近的機車頭僅有18m，因機車頭自重較大，可能會通過基礎傳遞至地下土層及堤岸，改變地下土層及岸墻的應力狀態(tài)，從而影響整體堤岸的穩(wěn)定。因此，需對珠江堤岸整體穩(wěn)定性進行分析，為珠江堤防管理部門對堤防結構的安全管理及鐵路博物館景觀提升工程是否能順利實施提供參考依據。

2 堤岸整體穩(wěn)定性分析

2.1 計算模型

機車荷載的施加對堤防岸坡整體影響是此次景觀提升工程關注的重點，根據《黃沙南站園林景觀工程防洪評價報告》中已有的堤防開挖圖及堤防結構尺寸手繪圖結合實測的堤防地形圖，結合放置機車的位置和地質勘察結果，選擇鐵路博物館堤防段局部岸坡范圍（機車荷載最不利斷面處），作為所在建設場地現狀堤防穩(wěn)定計算分析的計算斷面，采用有限元軟件ABAQUS對珠江堤岸整體進行三維有限元模擬，采用六面體單元進行網格的劃分，進行網格劃分后單元總數27376個，節(jié)點總數34640個，如圖1。塊體不同顏色代表的物質組成含義如圖2。

圖1 岸堤整體有限元網格劃分

圖2 岸堤整體有限元模型

2.2 計算工況

為計算分析堤防岸坡整體在施加機車荷載作用下的位移應力變化狀況，結合實際工程的運行情況設立兩個對照組A和B，對照組A是堤防岸坡的最高運行水位與最高運行水位加機車荷載再對比；對照組B是堤防岸坡的最低運行水位與最低運行水位加機車荷載再對比，如表1。

表1 對照組計算工況

2.3 計算結果

2.3.1 堤岸整體位移

圖3～圖6給出了堤防岸坡整體在各個工況時的整體位移分布云圖。從圖3～圖6可以看出，同原狀態(tài)堤防岸坡相比，工況2施加機車荷載后，堤防整體最大位移位于鋪設的鐵路軌道基礎處，數值大小為25mm，但該工況下堤防整體x向位移與原堤防相比基本保持不變，位移分布位置也幾乎沒有改變，工況4施加機車荷載后，堤防整體最大位移位于鋪設的鐵路軌道的基礎處，數值大小為24.6mm，機車荷載的施加對堤防岸坡局部范圍的地基（軌道鋪設）會造成一定影響，但該影響范圍很小。

圖3 工況1堤防整體最大位移分布云圖

圖4 工況2堤防整體最大位移分布云圖

圖5 工況3堤防整體最大位移分布云圖

圖6 工況4堤防整體最大位移分布云圖

2.3.2 堤岸整體應力

圖7～圖14給出了堤防岸坡整體在各個工況時的最大主拉和最大壓應力分布云圖。從圖7～圖14可以看出，與原狀堤防岸坡相比，施加機車荷載后，堤防整體最大主拉/壓應力的數值大小幾乎沒有變化，工況1最大主拉應力為0.58MPa，位于擋墻的面板與底板交接的底面，最大主壓應力為1.22MPa，位于擋墻結構的扶壁處，工況2與工況1相比，施加機車荷載后，最大主拉應力為0.56MPa，位于擋墻的面板與底板交接的底面，最大主壓應力為1.20MPa，對比工況3與工況4同樣也是數值大小幾乎不變，最大主拉/壓應力發(fā)生部位一致。通過對堤防岸坡整體應力的分析計算可知，機車荷載的施加對堤防岸坡整體而言最大主拉/壓應力幾乎沒有影響。

圖7 工況1堤防整體最大主拉應力云圖

圖8 工況1堤防整體最大主壓應力云圖

圖9 工況2堤防整體最大主拉應力云圖

圖10 工況2堤防整體最大主壓應力云圖

圖11 工況3堤防整體最大主拉應力云圖

圖12 工況3堤防整體最大主壓應力云圖

圖13 工況4堤防整體最大主拉應力云圖

圖14 工況4堤防整體最大主壓應力云圖

2.3.3 堤岸整體塑性變化

圖15～圖18給出了堤防岸坡整體在各個工況下的塑性應變應力分布云圖。對比工況1與工況2，工況3與工況4可知，機車荷載的施加只對軌道基礎以下的局部地基土體造成一定影響，與原狀地基相比，堤防岸坡地基的塑性區(qū)域臨水側基本保持不變，而隨著機車荷載的施加，機車軌道地基下方的地基土體會出現一定的塑性區(qū)域，但該區(qū)域并沒有增大原狀堤防岸坡地基的塑性區(qū)域，只是保持在機車軌道地基下部的局部區(qū)域。

圖15 工況1堤防整體塑性應變云圖

圖16 工況2堤防整體塑性應變云圖

圖17 工況3堤防整體塑性應變云圖

圖18 工況4堤防整體塑性應變云圖

3 三維有限元模型分析

機車荷載的施加對堤防岸坡整體影響是此次景觀提升工程關注的重點，通過有限元ABAQUS軟件建立鐵路博物館堤防段局部岸坡范圍 （最不利斷面處）三維有限元模型，對其整體的穩(wěn)定性進行了分析，如圖7～圖18。

4 結語

（1）最高運行水位機車荷載和最低運行水位機車荷載施加后堤防岸坡的最大位移均位于鋪設的鐵路軌道基礎處，分別可達25，24.6mm，機車荷載的施加對堤防岸坡局部范圍的地基（軌道鋪設）會造成一定影響，但該影響范圍很小。

（2）不同工況下堤防整體應力數值大小變化較小，機車荷載的施加對堤防岸坡整體而言最大主拉/壓應力幾乎沒有影響。

（3）機車荷載的施加，機車軌道地基下方的地基土體會出現一定的塑性區(qū)域，但該區(qū)域并沒有增大原狀堤防岸坡地基的塑性區(qū)域，只是保持在機車軌道地基下部的局部區(qū)域。