基于Midas GTS 分析項目建設對鄰近水閘的影響

梁永祥

（廣州市智利達咨詢有限公司，廣東 廣州 511400）

隨著城市化進程的加快，城市建設用地愈發緊張，深基坑的建筑工程日益增多。當工程周邊環境復雜時，在考慮深基坑自身的穩定和安全時，還要考慮周邊建筑的安全性。當周圍建筑物離深基坑過近時，應當采取一定的措施來減小工程施工對周邊環境的影響[1］。伴隨著大量深基坑的應用，如何對深基坑開挖引起的周邊環境進行有效的控制，張亞奎[2］、王素霞[3］、華正陽[4］等都對此進行研究和分析。特別是隨著有限元計算軟件的廣泛應用，可以通過計算軟件對復雜的建筑結構及地質條件進行模擬，直觀準確地反映建筑物的變形情況[5-7］。

為分析項目開發建設時對既有水閘工程的影響，本文以鄰近水閘工程的某足球訓練基地為例，通過Midas GTS／NX 巖土分析軟件，對足球訓練基地開發建設期間水閘工程主要建筑物的位移和受力方面進行數值模擬分析，從而研究既有水閘工程的安全狀況，確保足球訓練基地的施工安全以及已建水閘工程的運行安全。

1 工程概況

廣州擬建的某足球訓練基地位于廣州市番禺區，該地塊鄰近蓮花山水道呈不規則形狀，位于亞運城樂羊羊路東側。項目規劃建設用地面積44104 m2，擬建建筑主要包括：球員公寓、酒店、訓練館、設備倉庫、球場等。擬建項目位于既有水閘工程的南側，且部分建筑物已進入河涌及水閘的管理范圍內，最大進入距離約88 m，主體建筑與河岸線最小水平凈距約80 m，項目紅線與河岸線最小水平凈距約18 m。擬建項目與既有水閘工程相對位置見圖1。

圖1 擬建項目與水閘工程相對位置關系圖

1.1 工程地質

結合項目地塊的勘察資料和水閘的勘察資料，擬建項目的各土、巖層情況如下：

①層：人工填土層，松散，層厚1.0 m～4.9 m，建議地基承載力特征值fak=80 kPa。

②-1 層：粉質粘土層，可塑，層厚0.8 m～4.8 m，建議地基承載力特征值fak=140 kPa。

②-2 層：淤泥質土層，流塑，層厚8.7 m～21.6 m，建議地基承載力特征值fak=70 kPa。

②-3 層：粉質粘土層，可塑，層厚1.2 m～7.4 m，建議地基承載力特征值fak=160 kPa。

②-4 層：中粗砂層，稍密，層厚1.5 m～11.0 m，建議地基承載力特征值fak=160 kPa。

②-5 層：粉質粘土層，可塑，層厚1.7 m～4.1 m，建議地基承載力特征值fak=160 kPa。

③層：粉質粘土層，硬塑，層厚1.3 m～5.4 m，建議地基承載力特征值fak=220 kPa。

④-1 層：全風化粉砂巖層，堅硬土狀，層厚1.5 m～6.7 m，建議地基承載力特征值fak=350 kPa。

④-2 層：強風化粉砂巖層，半巖半土狀和土夾碎石狀，層厚1.2 m～10.5 m，建議地基承載力特征值fak=500 kPa。

1.2 水文地質

根據鉆探揭露及鉆孔地下水位觀測，填土層、沖積層粉質粘土、淤泥質土屬弱透水層，淤泥質土層為含水而不透水層，中砂層為中等～強透水層，在砂層分布范圍內，地下水較豐富，但整個場地砂層分布范圍有限。下伏基巖整體分布不均勻，變化較大，基巖裂隙發育，裂隙中賦存有一定的裂隙水，裂隙水量的大小跟裂隙的連通性有關。場地內地下水類型屬承壓水。勘察區地下水位動態變化一般為0.5 m～2.0 m。

2 三維數值模型

Midas GTS／NX 是一款基于尖端的計算機處理和分析技術研發而成的新一代通用巖土分析軟件。該軟件包含施工階段的應力分析和滲透分析等巖土所需的幾乎所有分析功能的通用分析軟件。

2.1 技術路線

本報告數值分析的技術路線如下:

（1）本構模型選取；

（2）假定與簡化條件；

（3）最危險工況及位置的判斷及選取；

（4）不同工況下的分析計算；

（5）分析總結及綜合評估。

2.2 分析范圍

根據擬建項目與水閘的位置關系、項目的施工情況以及水閘的結構資料等，綜合確定模型計算范圍。模型范圍的控制原則為，一方面邊界條件不能較大影響研究部位的計算結果（即精度要求），另一方面模型尺寸不宜過大，以節省運算的時間成本。

根據上述原側，模型寬度范圍取300 m，長度范圍取380 m，高度范圍取60 m，建立的三維數值模型見圖2。

圖2 三維數值模型整體圖

2.3 計算參數

根據地質資料、擬建項目和水閘的結構方案，并結合類似項目工程經驗，確定相應的巖土參數及材料參數，根據工程的特點，主要采用的本構模型及單元類型如下：

（1）巖土層及鋼筋砼結構采用三維實體單元，基坑圍護樁（等效為墻）采用板單元，樁采用植入式梁單元，錨索采用植入式桁架單元。

（2）巖土層采用修正摩爾庫侖本構模型，結構物采用彈性本構模型。

模型主要采用的材料計算參數見表1 和表2。

表1 巖土層主要參數表

表2 結構材料主要參數表

2.4 邊界條件

（1）位移邊界條件：模型底部約束XYZ 方向位移，模型前后兩面約束Y 方向位移，模型左右兩面約束X 方向位移；

（2）荷載邊界條件：自重、河涌水壓力及施工荷載。

2.5 模擬工況

針對擬建項目施工的全過程進行三維模擬，共分為4 個模擬步驟（工況），見表3，各模擬工況的有限元模型見圖3～圖6。

圖3 工況1（初始地應力平衡）

圖4 工況2（基坑開挖）

圖5 工況3（樓房澆筑）

圖6 工況4（場地填筑及球場施工）

整體模型中，幾個主要的部件分別為樓房、堤圍（含擋土墻）、水閘、船閘等，實際建模時，對各結構部件進行等效簡化。

3 計算結果影響分析

3.1 位移影響分析

各工況下水閘、船閘的最大位移計算結果見表4。

表4 位移統計表 單位：mm

施工完成后（工況4），水閘的總位移云圖見圖7，船閘的總位移云圖見圖8。

圖7 水閘總位移（工況4）

圖8 船閘總位移（工況4）

分析上述計算結果可知，隨著項目施工推進，水閘、船閘等水工建筑的總位移呈現出先增后減再增的趨勢，這是因為：

（1）當擬建項目基坑開挖時（工況1），坑底產生回彈而引起周邊地表沉降，因此水工建筑物產生輕微下沉和向基坑方向的水平位移。

（2）當擬建項目房屋澆筑時（工況2），房屋對地基產生壓縮（因采用樁基，影響較小），引起周邊地表輕微隆起，因此水工建筑物產生輕微上浮和背離樓房方向的水平位移，即對工況一有局部抵消效應。

（3）當場地填筑及球場施工時，對原地基產生大面積附加荷載，地基產生壓縮和側向擠出，因此水工建筑物產生上浮和背離樓房方向的水平位移。

3.2 受力影響分析

各工況下水閘、船閘的第一、第三主應力及最大剪應力計算結果見表5。

表5 應力統計表 單位：kPa

表6 相比初始狀態的應力變化率統計表 單位：%

施工完成后（工況4），水閘的最大應力變化云圖見圖9，船閘的最大應力變化云圖見圖10。

圖9 水閘第三主應力（工況4）

圖10 船閘第三主應力（工況4）

既有結構的安全性評估主要通過其變形后的最大內力與極限承載力進行對比分析，或應力的變化在其結構的允許范圍內，則認為結構是安全的。本擬建項目隨著施工推進，水閘、船閘等應力出現重分布，在工況2～工況3 階段，應力變化極小，在工況4 階段，應力出現相對較明顯變化，變化率處于-1.51%～2.89%之間，尤其是水閘處，應力變化幅度最大。

4 結論與建議

4.1 結論

（1）水閘、船閘等水工建筑的總位移隨著擬建項目施工的呈現出先增后減再增的趨勢，水工建筑物的總位移最大為水閘靠近右岸處，總位移值為8.23 mm，其中豎向位移值為-4.16 mm，水平位移值為7.11 mm，發生在場地填筑及球場施工階段。水工建筑物以水平位移為主，且越遠離右岸，水工建筑物受到的變形影響越小。

（2）水工建筑物的應力隨著擬建項目施工出現重分布，在工況2～工況3 階段，應力變化極小，在工況4 階段，應力出現相對較明顯變化，變化率處于-1.51%～2.89%之間，尤其是水閘處，應力變化幅度最大，但應力的變化在結構承載力的允許范圍內，水工建筑物在結構受力上是安全的。

（3）從數值模擬結果可知，擬建項目施工期間，基坑開挖、樓房澆筑、場地填筑及球場施工等工序對水閘及船閘的受力和變形影響程度較小，水工建筑物處于安全狀態范圍內，不會危及其安全和正常使用。

4.2 建議

根據模擬分析結果，提出如下建議：

（1）鉆孔灌注樁、管樁施工時采取由遠到近的施工順序，先施工離堤岸結構最遠的樁。

（2）超載對于水工建筑物的受力和變形均產生不利影響，建議在施工過程中，距離右岸堤圍頂凈距20 m 范圍內，不能堆放施工材料或棄土，不得停放或運行大型施工機械等，如不能滿足，則應經進一步驗算且采取有效的措施后方可進行。

（3）為保證水工建筑物的穩定和安全，建議在項目施工和運行期加強對水工建筑物的監測，定期根據實測數據復核其是否滿足防洪要求。