雙排鋼板樁圍堰設計參數的結構影響與優(yōu)化研究

孟祥東

(營口海河水利監(jiān)理有限公司，遼寧 營口 115000)

1 工程背景

某水電站主要由主壩、副壩、主副溢洪道、灌溉隧洞、發(fā)電引水隧洞以及發(fā)電廠房組成。該電站的擴容工程為3#和4#機組。為了滿足水電站擴建工程廠房區(qū)的干地施工要求，需要在發(fā)電廠房的下游建設一段東西走向的圍堰。由于二期擴建工程中的發(fā)電廠房區(qū)域位于下游水庫的庫區(qū)中，水位的變幅相對較小，最大水深大于30 m，因此需要在深水中進行施工?？紤]到布置空間的限制以及一期工程發(fā)電廠房泄水沖擊的影響，推薦在圍堰工程設計中采用雙層格型鋼板樁圍堰形式[1]。新建圍巖位于一期工程引水隧洞下游的水墊塘部位，河道近似南北走向，地勢西高東低，現狀底面高程約310～370 m，在靠近右岸的部位有一混凝土擋土墻，在水位較低時可以露出水面，圍堰部位的水深為25～30 m左右。圍堰施工區(qū)的覆蓋層主要有兩大類型。分別是人工堆積物和河流的沖洪積物，施工區(qū)內的地下水主要為基巖裂隙水和第四系松散層孔隙潛水。

圍堰的鋼板樁主要由兩排直腹型鋼板以及相應的連接結構構成[2]。其中，直腹型鋼板樁選用的是AS500-12.7型鋼板樁，其寬度為500 mm，厚度為12.7 mm，允許偏角為5°，單根樁的截面積為771 mm2，鎖扣強度為5500 kN/m，鋼材級別為S355GP，其鎖扣拉力為5500 kN/m，鋼材的屈服強度為355 MPa，抗拉強度為480 MPa，鎖扣間的摩擦角為0.3°，雙排鋼板樁之間設置三層拉桿，以提高整體性[3]。第一層拉桿采用的是Φ40grade550，標高為21 m；第二層拉桿采用的是Φ65grade550，標高為17 m；第三層拉桿采用的是Φ65grade550，標高為13 m，拉桿之間的間距均為1.5 m[4]。

2 FLAC 3D有限元計算模型

2.1 計算軟件的選擇

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是美國ITASCA公司開發(fā)的一款大型仿真計算軟件[5]，包括FLAC2D和FLAC3D兩個版本。其中，FLAC3D是二維有限差分程序FLAC2D的拓展，因此具有強大的仿真模擬計算功能，可以進行巖土領域的土質、巖石以及其他各種材料的三維結構受力特征和塑性流動分析[6]。由于該模擬軟件采用的是顯式拉格朗日算法以及混合-離散分區(qū)技術，在模擬計算過程中并不需要剛度矩陣依賴，可以利用較小的內存空間解決大范圍的三維模擬計算問題[7]?；诖耍敬窝芯窟x擇FIAC3D軟件進行鋼板樁圍堰的計算模型構建。

2.2 計算模型的構建

由于鋼板樁圍巖屬于三維空間結構，其設計和施工屬于三維空間的受力計算問題[8]。但是，為了提高模型計算的速度，同時考慮到圍堰工程的長度遠大于寬度，因此選擇圍堰中地質條件相對比較惡劣的一段進行幾何模型的構建，該段圍堰的長度為60 m。為了消除邊界條件對計算結果的影響，在計算范圍的選擇上需要在土體的下方和兩側多取一些長度和深度，但是又不能因為模型過大而使計算困難[9]。結合相關的研究成果和工程經驗，土體部分高度取埋入基巖以下50 m，土體部分長度向兩邊延伸鋼板樁等效寬度的4倍[10]。

土體是十分復雜的天然材料，其應力—應變關系亦十分復雜，因此，在模擬計算過程中選用Mohr-Coulomb 模型，土工格柵結構單元[11]。鋼板樁采用襯砌單元模擬，拉結構均采用梁單元進行模擬，整個模型被剖分為21 750個計算單元，25 443個計算節(jié)點，有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 模型的計算參數

結合工程的實際情況，模型中涉及的土體主要是格型鋼板樁中的填料、結構以下的粉質黏土以及模型底層的全風化泥質砂巖[12]。結合相關施工規(guī)范中的數據和工程現場的試驗結果，確定如表1所示的土體物理力學材料參數。

表1 土體物理力學參數

在模型的構建過程中，應使用結構的真實尺寸和尺寸，但是對于格型鋼板樁而言，厚度較小，整體尺寸較大，如果采用真實尺寸進行模型構建，必然會導致單元的長寬比過大或單元的尺寸過小，進而導致較大的計算誤差或計算量[13]。因此，本文將其厚度設置為真實尺寸的20倍，同時對其彈性模量和密度等物理力學參數進行適當的折減[14]。鋼板樁水上部分的折減密度為392.5 kg/m3，水下部分的折減密度為342.5 kg/m3，折減后的彈性模量為10.5 GPa[15]。

3 結果與分析

3.1 拉桿標高影響的計算結果與分析

為了研究不同標高拉桿對鋼板樁圍堰整體結構的影響，在原方案的基礎上，設置了方案1和方案2進行對比。其中，方案1保留上部的兩道拉桿，方案2保留下部的兩道拉桿，拉桿的標高和參數設計不變。利用上節(jié)構建的有限元模型對三種方案下的彎矩、軸力和水平位移以及安全系數進行計算，結果如表2所示。

表2 不同拉桿層數方案計算結果

由表中的計算結果可知，僅設置上部兩道拉桿時，安全系數較原方案下降0.1，說明對結構的整體穩(wěn)定性影響較小，但是僅設置底部兩道拉桿時的安全系數為1.06，不僅下降幅度較大，且不滿足1.30的安全穩(wěn)定系數設計要求。從水平位移來看，僅設置上部兩道拉桿時，最大水平位移由78.48 mm增加到102.27 mm，增加了約30%，僅布置底部兩道拉桿時的最大位移量為131.12 mm，較原方案增加了約67%。從彎矩和軸力計算結果來看，方案1較原方案有所增加，但是增加的幅度較小，方案2較原方案有明顯的增加，特別是最大彎矩的增加幅度較大，內排樁和外排樁的最大彎矩分別增加了約247%和133%。由此可見，原方案設置三層拉桿是符合工程設計要求的，特別是最上部的拉桿對提高鋼板樁的整體性作用明顯，在工程設計中必須要保留上部的兩道拉桿。

3.2 拉桿水平間距影響的計算結果與分析

為了研究不同拉桿水平間距對鋼板樁圍堰整體結構的影響，在原方案1.5 m的基礎上，設置了2.0 m、2.5 m、3.0 m和4.0 m五種不同的方案，利用上方構建的模型對不同方案下的彎矩、軸力和水平位移以及安全系數進行計算，結果如表3所示。

表3 不同拉桿水平間距計算結果

由表3中的計算結果可知，當拉桿的間距增大時，鋼板樁的位移和彎矩、軸力均成增大的態(tài)勢，安全系數呈現出減小的趨勢，但是在間距小于3.0 m 時對位移和安全系數的影響并不明顯。同時，當水平間距增加到3 m時，雖然鋼板樁仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是強度的冗余量明顯下降。因此，要保證結構安全需求，拉桿的水平間距應該保持在3.0 m以內。結合背景工程的實際要求，建議將拉桿間距設計為2.5 m，這不僅有利于降低材料成本，也可以保證足夠的工作空間。

3.3 樁間距影響的計算結果與分析

為了研究不同樁間距對鋼板樁圍堰整體結構的影響，在原方案16 m的基礎上，設置了20 m、12 m、8 m四種不同的方案，利用上方構建的模型對不同方案下的彎矩、軸力和水平位移以及安全系數進行計算，結果如表4所示。

表4 不同樁間距計算結果

由表中的計算結果可知，以鋼板樁間距為16 m為界，隨著間距的增大或減小，鋼板樁的安全系數均呈現出減小的趨勢，而水平位移以及彎矩和軸力均呈現出增大的趨勢，其中間距12 m方案的計算結果與原方案比較接近，而間距8 m和間距20 m的方案與原方案的差距較大。由此可見，原設計方案中16 m的樁間距設計是合理的，為最佳樁間距設計方案。

4 結 論

鋼板樁圍堰有諸多優(yōu)點，已經被廣泛應用于水利工程建設。此次研究以具體的工程為例，利用FLAC3D三維有限元軟件構建數值計算模型，研究樁間距、拉桿水平間距以及拉桿標高對圍堰穩(wěn)定性的影響，并根據模擬結果提出了具體的設計改進建議，對背景工程和相關類似工程設計具有一定的借鑒和指導作用。此外，土體本構模型中選擇了常用的摩爾-庫倫模型，而在土力學中，如何正確反映土在實際工程情況下的受力與變形仍是一個熱門問題，需要進行進一步的研究和探索，以便提高模型的計算精度。