京石路改建施工对南水北调大宁调蓄水库防渗墙安全影响分析

袁鸿鹄, 张如满, 赵志江, 孙宇臣, 孙洪升

(北京市水利规划设计研究院,北京　100048)

0　引言

随着水库周边基础设施的不断兴建与改造,防渗墙两侧及顶面不可避免的遭遇回填土体工程的施工扰动与作用,使得防渗墙中的应力应变发生变化,原有防渗能力弱化,未来运行安全可靠性受到威胁[1-5]。

京石高速公路(五环路—赵辛店立交段)改建工程京石路路基大部分近平行布置于大宁水库西堤已建防渗墙西侧,新填筑路基坡顶线与防渗墙距离17～21 m,坡脚线与防渗墙距离仅5～7 m,路基的填筑在塑性防渗墙上方增加了大量附加荷载,可能对塑性防渗墙的安全造成不利影响。本文依据京石路现场路基实际回填施工过程,进行了京石路路基填土施工对大宁水库防渗墙影响的安全性评估分析,分析防渗墙随回填施工过程的应力及变形分布规律与特性,对防渗墙的安全性作出评价。

1　工程概况

大宁调蓄水库是北京市南水北调配套工程的重要工程。水库位于房山区长辛店镇大宁村北,水库左岸是与永定河主河槽分隔的中堤,西堤与现状京石高速公路路基重合,主、副坝位于库区下游南侧,水库总库容为4 611万m3。水库防渗采取沿库区四周新建垂直塑性混凝土防渗墙7.84 km,其中西堤防渗墙沿京石高速公路桥下横穿库区后,沿西堤台地平行西堤布置,总长3.22 km,墙厚0.60 m。水库最大调蓄库容为3 753万m3。现状大宁水库西堤防渗墙位于库区西堤平台,距京石高速公路东侧坡脚15～20 m。防渗墙厚0.60 m,墙深一般12～18 m,墙底嵌入半胶结基岩2 m,采用两钻一抓法施工,槽段长6.2 m,墙体为塑性混凝土,设计抗压强度2 MPa。地面防渗墙施工导墙高1.0 m,底座宽1.0 m、高0.3 m,底座以上的导墙厚0.4 m,C15钢筋混凝土浇筑。目前该段防渗墙已施工完成。

京石高速公路是中国早期一条全封闭全立交式高速公路,连接了北京、涿州、保定和石家庄,是北京西南方向重要的对外交通走廊。京石高速公路(五环路—赵辛店立交段)全长约4.5 km,该段为双向四车道加连续停车带,目前交通量已远远超出设计通行能力,交通拥堵现象严重。为此,北京市政府决定对本段京石路进行拓宽改造,路基加宽后为三上三下加硬路肩,全宽33.25 m。

该公路改建工程大宁水库库区段,从京石高速公路桥开始(桩号K9+476)至水库主坝右坝肩结束(桩号K12+570),总长度约3 094 m。该公路库区路基改建拓宽段与已建大宁调蓄水库西堤防渗墙近距离平行、交叉段长约2 247 m(桩号K10+102～K12+349)[6]。

京石路基扩建设计方案:本段京石路路基扩建,在现状路基东侧单向东加宽8.25 m,加宽部分仍位于已建防渗墙西侧,与防渗墙近平行布置,京石路路基桩号K10+241～K12+349(防渗墙桩号XD0+812～XD2+920),新填筑路基坡顶线与防渗墙距离17～21 m,坡脚线与防渗墙距离5～7 m,填筑料以碎石土为主,路基外坡坡比1∶1.5。京石路基施工方案:①路基回填,每层填土厚度约0.3 m;②路基夯实碾压,较窄处采用小型设备或人工夯实,相对较宽处采用大型设备夯实或碾压设备压实。

2　数值模型

2.1　计算模型

模型详细模拟了京石高速公路(五环路—赵辛店立交)及北京市南水北调配套工程大宁调蓄水库防渗墙,模型大小满足计算精度要求。

计算选取一般路基扩宽段典型断面进行分析,断面位于路基桩号K10+297处,经复核,京石高速公路(五环路—赵辛店立交)与北京市南水北调配套工程大宁调蓄水库防渗墙的最近距离为5.0 m。

京石路堆土及防渗墙的位置关系如图1所示,所建立的计算模型的二维网格模型图如图2所示。二维模型长80 m,垂直向上方向为Y轴正方向,共划分四边形单元3 460个,节点7 152个。

图1　京石路堆土、防渗墙布置图

图2　计算网格模型

2.2　计算参数

根据《北京南水北调大宁水库初步设计工程地质勘察报告》、《北京南水北调大宁水库防渗墙计算报告》及以往南水北调中线工程计算分析的相关经验,计算时选用参数详见表1。土体及防渗墙采用莫尔库仑模型,导墙采用弹性模型。

表1　材料参数表

2.3　边界条件及结构荷载

模型侧面和底面为位移边界,模型两侧的位移边界是约束水平移动;底部边界为固定边界,约束其水平移动和垂直移动。模型上边界为地表,为自由边界。

防渗墙结构所受荷载主要为恒荷载,荷载类型围岩压力和结构自重两种。

京石路改建工程对防渗墙的作用荷载主要包括堆土自重及土体碾压机械荷载两个部分。

2.4　施工工序

本次安全性评估主要进行京石路改建工程对防渗墙的影响分析。由于本影响分析主要考虑京石路改建工程对防渗墙的附加作用,塑性防渗墙及刚性防渗墙在京石路改建工程施工前已达到平衡,变形分析中仅考虑了京石路改建工程引起的附加变形,防渗墙原有的变形未予考虑。故此,计算时分为三个计算步骤:①土体自重平衡;②塑性防渗墙及刚性防渗墙的自重平衡;③清除塑性防渗墙及刚性防渗墙自重平衡下的位移,进行京石路堆土模拟。其中,京石路堆土模拟工序共分16步进行,具体为:工序1,堆第一层土体 (0～1 m);工序2,碾压第一层土体;工序3,堆第二层土体(1～2 m);工序4,碾压第二层土体;工序5,堆第三层土体(2～3 m);工序6,碾压第三层土体;工序7,堆第四层土体(3～4 m);工序8,碾压第四层土体;工序9,堆第五层土体(4～5 m);工序10,碾压第五层土体;工序11,堆第六层土体(5～6 m);工序12,碾压第六层土体;工序13,堆第七层土体(6～7 m);工序14,碾压第七层土体;工序15,堆第八层土体 (7～8 m);工序16,碾压第八层土体。

3　变形结果分析

3.1　整体变形分析

京石路堆土完成后整体的位移等值线云图如图3所示。其中,图3-a为整体的竖直方向位移等直线云图,图3-b为整体的水平方向位移等直线云图,图3-c为整体的合位移等直线云图。京石路堆土变形影响范围主要位于堆土附近,京石路第一层堆土由于受到后续堆土荷载及碾压机械荷载的反复作用,变形量最大,最大沉降量为32.89 mm;防渗墙发生的沉降量较小,最大沉降量为5.85 mm。

图3　整体位移等值线云图

3.2　防渗墙变形分析

京石路堆土完成后防渗墙的位移等值线云图如图4所示。其中,图4-a为防渗墙的竖直方向位移等直线云图,图4-b为防渗墙的水平方向位移等直线云图,图4-c为防渗墙的合位移等直线云图。由于京石路堆土作用对防渗墙周围土体产生扰动,防渗墙在水平方向的变形表现为防渗墙上部向堆土一侧移动,最大移动量为4.04 mm,发生在防渗墙顶部;防渗墙下部向远离堆土一侧移动,最大移动量为3.70 mm,发生在防渗墙中下部;防渗墙在竖直方向的变形表现为整体沉降,最大沉降量为5.85 mm,发生在靠近堆土一侧的防渗墙中下部图4-a。由于京石路堆土距防渗墙较远及卵砾石具有较大的变形模量,京石路堆土作用对防渗墙变形影响较小,防渗墙最大变形量为7.11 mm。

图4　防渗墙位移等值线云图

4　应力结果分析

在第3节中位移等值线云图的数值皆为京石路堆土单一因素所形成,这是为了定量评价京石路堆土影响所采取的一种显示方式;而本节中应力云图的数据皆为应力的最终状态,是所有因素综合叠加形成的结果,其数值的正负分别表示拉应力和压应力。

京石路堆土完成后防渗墙的应力云图如图5所示。其中,图5-a为防渗墙最大主应力等值线云图,图5-b为防渗墙最小主应力等值线云图。

由图5可知,京石路堆土作用下,防渗墙的最大压应力值出现在防渗墙的底部,其量值为777.14 kPa;拉应力主要出现在防渗墙顶部,其最大值为4.61 kPa。

图5　防渗墙应力云图

图6与图5对比可得出京石路堆土对防渗墙产生的附加应力。京石路堆土前后,防渗墙最大及最小主应力出现的位置没有改变,其中,最大主应力出现在防渗墙的顶部,最小主应力出现在防渗墙底部;由于京石路堆土作用,防渗墙的最大主应力及最小主应力量值发生改变,防渗墙最大主应力从0.48 kPa增大到4.61 kPa,增加了4.13 kPa;最大压应力从399.41 kPa增大到777.14 kPa,增加了377.73 kPa。

图6　初始状态下防渗墙应力云图

京石路堆土作用下,防渗墙的最大拉应力值4.61 kPa及拉应力增加幅度值4.13 kPa均远小于防渗墙设计的抗拉强度,防渗墙的最大压应力值777.14 kPa及压应力增加值377.73 kPa也远小于防渗墙设计的抗压强度2 MPa。

综上,京石路堆土作用对于防渗墙的应力影响不大,防渗墙应力处于安全状态。

5　结语

(1)防渗墙在水平方向的变形表现为防渗墙上部向堆土一侧移动,最大移动量为4.04 mm,发生在防渗墙顶部;防渗墙下部向远离堆土一侧移动,最大移动量为3.70 mm,发生在防渗墙中下部;防渗墙在竖直方向的变形表现为整体沉降,最大沉降量为5.85 mm,发生

在靠近堆土一侧的防渗墙中下部。由于京石路堆土距防渗墙较远及卵砾石具有较大的变形模量,京石路堆土作用对防渗墙变形影响较小,防渗墙最大变形量为7.11 mm。

(2)防渗墙的最大拉应力值4.61 kPa及拉应力增加幅度值4.13 kPa均远小于防渗墙设计的抗拉强度,防渗墙的最大压应力值777.14 kPa及压应力增加值377.73 kPa也远小于防渗墙设计的抗压强度2 MPa。京石路堆土作用对于防渗墙的应力影响不大,防渗墙应力处于安全状态。

(3)综合变形及应力分析结果可以得出:基于当前的设计方案及施工方案,京石高速公路(五环路—赵辛店立交段)改建工程对大宁调蓄水库防渗墙的影响较小,防渗墙处于安全稳定状态。

参考文献:

[1]简祥,何江达,苏向震,等.沙湾水电站深基坑塑性混凝土防渗墙应力及变形研究[J].红水河,2009,28(2):33-37.

[2]刘博,李海波,冯海鹏,等.强夯施工振动对海工防渗墙影响试验及安全监控[J].岩土力学,2012(10):3073-3080.

[3]蒋凯乐,李云鹏,张如满,等.塑性混凝土防渗墙土反力系数反演[J].岩土力学,2012(S2):389-394.

[4]夏祥,李海波,于崇.爆炸振动对塑性混凝土防渗墙的影响[J].岩石力学与工程学报,2011(6):1142-1148.

[5]王荣鲁,窦铁生,熊欢,等.北京大宁水库副坝防渗墙应力变形有限元分析[J].水利水电技术,2010(3):46-49.

[6]袁鸿鹄,张如满.京石高速公路(五环路—赵辛店立交段)改建工程对北京市南水北调配套工程大宁调蓄水库西堤防渗墙工程安全性评估报告[R].北京：北京市水利规划设计研究院,2010.