塑性混凝土在中東地區大型船塢防滲墻中應用的模擬研究

李輝，阮心，劉洪濤

（中國電建集團山東電力建設有限公司，濟南 250102）

1 引言

由中國電建集團山東電力建設有限公司所承建的沙特薩勒曼國王國際綜合港務設施項目（簡稱“國王港項目”）是沙特“2030 愿景”國家改革計劃的重要組成部分。該項目位于沙特東部阿拉伯灣沿岸，總面積約4 500 m×2 500 m，共有3 個干船塢，干船塢下設計有防滲墻，用以減少周邊水系向干船塢中的滲流。

塑性混凝土防滲墻具有變形模量小、墻體應力小、不易出現裂縫、節省大量水泥、施工簡便等優點。雖然塑性混凝土防滲墻在國內外已有了較為廣泛的應用，但是在中東地區的應用還較少，特別是國王港項目所在的沙特阿拉伯境內還未見塑性混凝土防滲墻的成功應用案例。相較于普通鋼筋混凝土防滲墻，塑性混凝土防滲墻可以大大地提高施工效率，降低成本[1-3]，通過軟件模擬的方式，結合國王港項目特點，對塑性混凝土防滲墻的防滲和結構性能進行研究，以期能夠為其在項目中的應用提供支持。

2 塑性混凝土防滲墻滲流分析

本項目中塑性混凝土防滲墻的厚度按照1 000 mm 進行設計，在3 個干船塢中，2 號干船塢單獨布置，用于船只的檢修維護，4 號和5 號干船塢相鄰布置，用于新造船只的建設。本文主要對4 號和5 號干船塢下防滲墻的防滲、結構性能進行研究。防滲墻設置于干船塢鋼筋混凝土塢墻、塢檻、泵房以及入口結構下方，用以控制干船塢使用時的滲流量，根據業主項目前端設計（Front End Engineering Design，FEED）中的要求，各個干船塢在使用時的最大滲流量不能超過500 m3/h，采用計算機模擬軟件Slide（版本號：2018.8.028）對塑性混凝土防滲墻的設計方案進行2D 有限元滲流分析，用以驗證所提出的設計方案是否能夠滿足FEED 中的最大滲流量要求。

2.1 滲流分析輸入條件

滲流模擬中所使用的現場土壤剖面和特性主要來源于FEED 地勘報告中的現場和實驗室結果，所采用的地面模型和巖土參數如表1 所示。

表1 4 號和5 號干船塢所在區域所采用的地面模型和巖土參數

塑性混凝土防滲墻的滲透系數在10-8～10-11m/s 范圍內，為了充分保證滲流模擬結果的安全性，滲流模型中所采用的各土層材料的滲透系數均按最大值選取，塑性混凝土防滲墻的滲透系數取值為1×10-8m/s。

計算中的滲流具有實際水流的運動特點（流量、水頭、壓力、滲透阻力），連續充滿整個含水層空間，是用來代替真實地下水流的一種假想水流。滲流流經的區域為滲流場[4]。

在有限元滲流分析中，干船塢根據不同的水邊界條件如從防滲墻到海水的距離，碼頭中的水位和防滲墻的頂部標高等被分為不同區段，按照不同邊界條件分區域計算其滲流量，得出的結果為單位長度下該界面的滲流量，總滲流量為沿防滲墻長度的積分。在進行模擬分析時，按照項目的FEED 文件中所設計的防滲墻頂部標高，防滲墻均位于基巖之上，塢墻下防滲墻的頂部標高為-19.3 m（CD），泵房、塢門及圍堰附近塢墻下防滲墻的頂部標高為-21 m（CD），塑性混凝土防滲墻的滲透系數取值為1×10-8m/s，墻厚為1 000 mm。整個計算區域的水頭取最大天文潮水位+1.81 m（CD），在滲流分析時均未考慮工程中臨時防滲墻的作用。

2.2 4 號和5 號干船塢滲流分析結果

4 號和5 號干船塢的邊界條件相似，尺寸較大的4 號干船塢將有較大的滲流量，因此，主要對4 號干船塢的滲流量進行分析。在對4 號干船塢進行分析時，假設5 號干船塢灌滿水，水從5 號干船塢向4 號干船塢滲流，這樣可以充分考慮各種因素，使實際工程中的滲流更加可控。4 號干船塢同樣被分為4 段進行滲流分析，每一段的分段長度及Slide 中每一段的滲流分析結果匯總于表2 中，其中第3 段滲流量采用第2 段計算結果。

表2 4 號干船塢各段滲流分析結果

從以上對于4 號干船塢的滲流分析結果可知，塑性混凝土防滲墻可以滿足最大滲流量不超過500 m3/h 的設計要求。

3 塑性混凝土防滲墻強度模擬分析

3.1 Plaxis 模型設置

塑性混凝土防滲墻在施工完成后將承受來自水平土壤的壓力、上層建筑的荷載、自重荷載以及墻壁兩側的水壓差異，采用Plaxis 2D（版本號：2018.01）對防滲墻進行有限元分析以驗證所選取的防滲墻結構強度參數是否滿足工程要求[5]。

采用Plaxis 模型對4 號和5 號干船塢的塑性混凝土防滲墻受力情況進行模擬，根據防滲墻的位置，Plaxis 中的防滲墻模型根據位置不同主要分為塢墻下防滲墻、塢檻下防滲墻以及泵房/塢門入口區域下的防滲墻3 種類型，其中泵房和塢門入口區域下防滲墻的荷載條件基本相同，但是泵房的荷載要大于入口區域，因此，僅采用泵房處的荷載條件來對塢門入口區域下的防滲墻進行計算。

在Plaxis 模型中，主要模擬了以下建設階段的荷載：（1）現場排水并開挖至防滲墻和上層建筑物所需深度；（2）安裝永久防滲墻；（3）施工上層建筑物；（4）施工船塢底板；（5）回填或開挖至最終標高；（6）拆除排水設施并使水位恢復至海平面，在此階段中，干船塢內的水位以船塢底板的底部為準，干船塢外的水位按照海平面計算。

在Plaxis 模型中，采用基于摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）模型的實體元素對塑性混凝土防滲墻的受力情況進行模擬，防滲墻的厚度為1 000 mm。由于塑性混凝土的低強度、低剛度特性，塑性混凝土相比普通混凝土更接近于土壤或軟弱巖石，但比土壤或軟弱巖石更有彈性，與對于土壤的模擬相似，在Plaxis 模型中，通過摩爾-庫倫模型引入內聚抗剪強度，數值等于UCS 的一半，塑性混凝土的加載割線剛度（E50）設置為150UCS。

Plaxis 模型中的土壤采用硬化土壤模型（Hardening soil model）進行模擬，硬化土壤模型是較先進的用于模擬不同類型土壤（包括軟土和硬土）以及沙子和黏土的模型。該模型提供了土壤應變和剪切應力與應力依賴性土壤剛度之間的雙曲類型公式，通過應用該模型設置不同的土壤剛度值可以較好地模擬土壤加載和卸載時的特性。Plaxis 中設置的土壤和塑性混凝土防滲墻的參數參照表1 進行。在防滲墻與周圍土壤之間設置了標準的Plaxis 界面元素，從而可以較為準確地反映土壤與防滲墻之間的相互作用，界面強度按照周邊土壤強度的0.7 倍進行計算。

3.2 塑性混凝土防滲墻結構驗算結果

施工過程中，水位仍在臨時開挖基坑底部以下，防滲墻上的上層建筑已經施工完畢并回填，此時由于水位較低，對于防滲墻的浮力較低，上層建筑和周圍土壤作用在防滲墻上的力會大于正式完工后，通過Plaxis 模型，對施工過程中塑性混凝土防滲墻所受的切應力、壓力、張力進行驗算，干船塢中不同位置對于防滲墻強度的要求不同，在模型中設置塑性混凝土的UCS 如下。

1）對于塢墻下的防滲墻，塑性混凝土的UCS 取值范圍為1.5～2 MPa，Plaxis 中的相關數據設置為UCS=1.5 MPa，E50=150×1.5 MPa=225 MPa。

2）對于泵房下的防滲墻，塑性混凝土的UCS 取值范圍為2.0～2.5 MPa，Plaxis 中的相關數據設置為UCS=2.0 MPa，E50=150×2.0 MPa=300 MPa。

3）對于塢檻下的防滲墻，塑性混凝土的UCS 取值范圍為2.0～2.5 MPa，Plaxis 中的相關數據設置為UCS=2.0 MPa，E50=150×2.0 MPa=300 MPa。

4 號和5 號干船塢防滲墻的結構驗算結果如表3 所示。

表3 4 號和5 號干船塢塢墻下防滲墻結構驗算結果

從以上Plaxis 驗算結果可以看出，按照給定的UCS 施工的塑性混凝土防滲墻具有足夠的結構強度，可以承受在施工以及正式工況下的剪切力、壓力，同時還可以看出，由于塑性混凝土防滲墻具有較低的剛度，上層建筑所引起的防滲墻基本沒有彎曲，驗算中未發現張力的存在，這也是使用塑性混凝土防滲墻的一大優點。

4 結語

通過有限元模擬軟件對國王港項目干船塢下塑性混凝土防滲墻的滲流量、強度進行了驗算，結果表明，在滲透系數為10-8m/s 時，塑性混凝土防滲墻的最大滲流量可以滿足干船塢的設計要求，其無側限抗壓強度在1.5～2.5 MPa 時，防滲墻具有足夠的結構強度，可以滿足結構強度要求，可以在國王港項目中進行應用推廣。