地基對膠結(jié)砂礫石防洪堤受力特性影響研究

師現(xiàn)營，郭利霞，羅云，吳建新

（1.河南省豫東水利工程管理局，河南 開封 475000；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046；3.河南省信陽水文水資源勘測局，河南 信陽 464099；4.中牟縣城市管理局市政保障所，河南 鄭州 450099）

0 引言

防洪堤建筑材料主要為土、石或混凝土，混凝土因安全可靠被越來越多的防洪工程應(yīng)用，但水泥用量大，強(qiáng)度過高，造成材料浪費(fèi)，因此尋求保證安全、降低成本和環(huán)境友好的堤防十分必要。膠結(jié)砂礫石是使用少量的膠凝材料（水泥、粉煤灰）和工程現(xiàn)場不篩分、不水洗的砂礫石料拌合而成。筑堤時采用攤鋪、振動碾壓而成，在材料可取地區(qū)可實(shí)現(xiàn)高效施工、低成本建設(shè)，國內(nèi)采用膠結(jié)砂礫石建成的堤壩工程有貴州兩趕山、花魚井山塘。

岷江犍為航電樞紐工程為典型的膠結(jié)砂礫石筑壩試驗工程，堤底地基分布著8.30～10.50 m厚的砂礫石，當(dāng)?shù)厣暗[石儲量豐富，采用膠結(jié)砂礫石筑堤造價低、安全性好。岷江犍為航電樞紐工程堤頂寬度6.00 m，最大堤高14.10 m，采用混凝土防滲墻和壩體保護(hù)層的防滲措施，堤長超過80 km。

修建于砂卵石地基上的犍為防洪堤，根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，采用富漿膠結(jié)砂礫石對基礎(chǔ)砂卵石進(jìn)行局部置換可滿足工程沉降和受力要求，可見地基對堤防影響較大，特別是針對膠結(jié)砂礫石防洪堤這種新型材料結(jié)構(gòu)形式。文章通過數(shù)值模擬手段，對不同地基條件下膠結(jié)砂礫石防洪堤受力進(jìn)行分析，考察其影響，為工程設(shè)計和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 膠結(jié)砂礫石堤基礎(chǔ)特性

《膠結(jié)砂礫石筑壩技術(shù)導(dǎo)則》對膠結(jié)砂礫石壩基礎(chǔ)提出要求：需具有足夠的強(qiáng)度，滿足壩基承載力要求，可建在弱風(fēng)化上部基巖上，在一定條件下，經(jīng)論證還可適當(dāng)放寬。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)把巖石地基分為堅硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖、極軟巖五類，并按照其完整程度劃分為Ⅰ～Ⅴ五級，特征參數(shù)參見文獻(xiàn)和《水運(yùn)工程巖土勘察規(guī)范》JTS133-2013。

2 地基對膠結(jié)砂礫石防洪堤的影響

膠結(jié)砂礫石作為一種膠結(jié)材料，澆筑后會產(chǎn)生水化熱，對工程影響較大。為了量化地基對膠結(jié)砂礫石防洪堤的影響，以犍為防洪堤為研究對象，采用數(shù)值模擬的手段對其進(jìn)行施工期仿真計算分析。

2.1 有限元模型及參數(shù)

選取犍為防洪堤為原型，網(wǎng)格剖分時充分考慮壩體材料分區(qū)，防洪堤壩踵和壩趾基巖出分別延伸22.20 m，壩軸線垂直水流方向壩段延伸20 m，基巖深度10 m，河床部位按實(shí)際地形條件簡化，剖分后網(wǎng)格見圖1。

圖1 有限元模型及特征點(diǎn)布置圖

在溫度場仿真計算時，基礎(chǔ)底面及四周、計算域?qū)ΨQ面均為絕熱邊界，其它面為存在熱量交換的邊界；在應(yīng)力場仿真計算時，基礎(chǔ)底面為鉸支座，四周為連桿支撐。

壩體內(nèi)部采用普通膠結(jié)砂礫石，防滲層及保護(hù)層為富漿膠結(jié)砂礫石，相關(guān)配比見文獻(xiàn)所示。仿真計算壩體材料采用基于水化度的膠結(jié)砂礫石溫度與應(yīng)力計算理論與模型，考慮膠結(jié)砂礫石絕熱溫升、自生體積變形的影響。地基選取典型的破碎巖石，即碎石和渣石，材料特性參數(shù)見表1、表2。

表1 膠結(jié)砂礫石熱學(xué)參數(shù)及線脹系數(shù)表

表2 膠結(jié)砂礫石力學(xué)參數(shù)表

2.2 工況設(shè)置

采用材料線彈性模型進(jìn)行膠結(jié)砂礫石防洪堤施工期溫度場應(yīng)力場分析，考慮年平均1.20 m/s 的風(fēng)速影響，按照通倉碾壓施工的方式，每倉碾壓高度約0.50 m，澆筑日期為7 月1 日，每層間隔1 d。為了考察地基的影響，工況設(shè)定見表3。

表3 工況設(shè)定表

2.3 地基對防洪堤受力特性影響分析

2.3.1 工況1計算結(jié)果

工況1 模擬計算分析，為精簡，僅顯示部分不利特征點(diǎn)變化和典型剖面溫度應(yīng)力圖，見圖2。

圖2 工況1膠結(jié)砂礫石堤特征分析圖

防洪堤采用富漿膠結(jié)砂礫石為上游防滲，底部墊層富漿砂礫石，內(nèi)部采用貧水泥的膠結(jié)砂礫石，隨著水化反應(yīng)放熱，剛澆筑的材料溫度迅速上升，因?qū)岵顑?nèi)部熱量無法及時散發(fā)，形成早期內(nèi)外溫差。后期內(nèi)部溫降幅度大于表面溫降幅度，形成基礎(chǔ)溫差。

從特征點(diǎn)應(yīng)力歷時可知，早期因內(nèi)外溫差作用易導(dǎo)致表面早期開裂（表層點(diǎn)K5、K6、K9、K10、K13和K14應(yīng)力值超過允許值），同樣的后期因基礎(chǔ)溫差加之地基的強(qiáng)約束作用導(dǎo)致K5、K6極易更進(jìn)一步出現(xiàn)裂縫開展現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)不利，其他部位相對安全。

2.3.2 工況2計算結(jié)果及對比

對工況2進(jìn)行模擬計算分析，選取最不利特征位置分析溫度應(yīng)力變化，見圖3。

圖3 工況2膠結(jié)砂礫石堤特征分析圖

工況2因澆筑于剛度較大的碎石地基，其他同工況1相同，故二者的溫度、應(yīng)力場近似一致，這里不加贅述。但由于地基剛度變大，壩體強(qiáng)約束區(qū)受地基約束增強(qiáng)，整體受力增大，開裂風(fēng)險增加。

2.3.3 工況3計算結(jié)果及對比

對工況3進(jìn)行模擬計算分析，選取最不利特征位置分析溫度應(yīng)力變化，見圖4。

圖4 工況3膠結(jié)砂礫石堤特征分析圖

工況3較工況1相比增加了墊層的厚度，提升了金包銀的結(jié)構(gòu)形式，因富漿膠結(jié)砂礫石的增加，導(dǎo)致水化熱也增大，但因膠結(jié)砂礫石本身絕熱溫升較低，故溫度增加不明顯。

由于地基約束同工況1，但強(qiáng)約束區(qū)采用了富漿膠結(jié)砂礫石，故強(qiáng)度也增加，故強(qiáng)約束區(qū)開裂的風(fēng)險不大，整個壩體幾乎不會產(chǎn)生開裂的可能性。

3 結(jié)語

膠結(jié)砂礫石用于筑堤是一種新的嘗試，為進(jìn)一步推進(jìn)該防洪堤形式的應(yīng)用，選取工程應(yīng)用中重要的地基適應(yīng)性問題進(jìn)行分析，以犍為防洪堤為研究對象，考察其基礎(chǔ)設(shè)置問題，結(jié)果表明，軟巖或碎石地基上均可修建防洪堤，在滿足承載力和滲流要求的地基上，地基條件越差，堤防開裂風(fēng)險越低，因膠結(jié)砂礫石材料強(qiáng)度低而引發(fā)的安全問題，可通過設(shè)置墊層及加大強(qiáng)約束區(qū)材料性能來解決，該研究可謂為膠結(jié)砂礫石堤壩結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。