广州铁路博物馆景观工程对珠江堤岸稳定性分析

刘学智

（广州珠科院工程勘察设计有限公司，广州 510000）

当前，由于新建工程距离堤防岸坡较近，新荷载是造成国内许多堤防岸坡失稳破坏最主要的源头之一，对周边人民财产与生命安全存在严重威胁，因此，对新建工程临近堤防岸坡稳定性进行研究有着重要意义［1-2］。近年来，很多学者对工程荷载作用下堤防岸坡稳定性分析技术开展了大量研究工作，并取得了不少研究成果［3-4］。其中，数值模拟中建立三维模型分析技术，被广泛应用于各类工程在不同工况作用下的稳定性研究等方面［5］。

2018年10月24日，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平到荔湾区西关历史文化街区永庆坊考察调研，街察看旧城改造、历史文化建筑修缮保护情况，并走进粤剧艺术博物馆了解粤剧艺术传承和保护情况，对广州市荔湾区历史文化保护工作给予了高度肯定和重视。正值全省深入学习贯彻习近平总书记视察广东重要讲话精神之际，中国铁路广州局集团有限公司恰逢其时，正在全力推动广州铁路博物馆（詹天佑纪念广场）建设，旨在更好地保护和利用历史建筑、恢复历史风貌，展示广州铁路百年风雨历程，串起铁路发展与地区经济、民生文化之间“休戚与共、相辅相成”的历史脉络，为现代人留存珍贵的历史文化记忆。铁路博物馆景观提升工程的开展将会对珠江堤岸的安全产生影响，因此需要采取一定技术手段对珠江堤岸的稳定性进行研究。

1 工程概况

本项目铁路博物馆景观提升工程位于广州市老城区西南面的西关黄沙一带，临近珠江，该项目的实施将在临珠江铺设铁路轨道并放置一定数量的机车头，铁路轨道及部分车头位于珠江堤防38m管理范围，其中距离堤防最近的机车头仅有18m，因机车头自重较大，可能会通过基础传递至地下土层及堤岸，改变地下土层及岸墙的应力状态，从而影响整体堤岸的稳定。因此，需对珠江堤岸整体稳定性进行分析，为珠江堤防管理部门对堤防结构的安全管理及铁路博物馆景观提升工程是否能顺利实施提供参考依据。

2 堤岸整体稳定性分析

2.1 计算模型

机车荷载的施加对堤防岸坡整体影响是此次景观提升工程关注的重点，根据《黄沙南站园林景观工程防洪评价报告》中已有的堤防开挖图及堤防结构尺寸手绘图结合实测的堤防地形图，结合放置机车的位置和地质勘察结果，选择铁路博物馆堤防段局部岸坡范围（机车荷载最不利断面处），作为所在建设场地现状堤防稳定计算分析的计算断面，采用有限元软件ABAQUS对珠江堤岸整体进行三维有限元模拟，采用六面体单元进行网格的划分，进行网格划分后单元总数27376个，节点总数34640个，如图1。块体不同颜色代表的物质组成含义如图2。

图1 岸堤整体有限元网格划分

图2 岸堤整体有限元模型

2.2 计算工况

为计算分析堤防岸坡整体在施加机车荷载作用下的位移应力变化状况，结合实际工程的运行情况设立两个对照组A和B，对照组A是堤防岸坡的最高运行水位与最高运行水位加机车荷载再对比；对照组B是堤防岸坡的最低运行水位与最低运行水位加机车荷载再对比，如表1。

表1 对照组计算工况

2.3 计算结果

2.3.1 堤岸整体位移

图3～图6给出了堤防岸坡整体在各个工况时的整体位移分布云图。从图3～图6可以看出，同原状态堤防岸坡相比，工况2施加机车荷载后，堤防整体最大位移位于铺设的铁路轨道基础处，数值大小为25mm，但该工况下堤防整体x向位移与原堤防相比基本保持不变，位移分布位置也几乎没有改变，工况4施加机车荷载后，堤防整体最大位移位于铺设的铁路轨道的基础处，数值大小为24.6mm，机车荷载的施加对堤防岸坡局部范围的地基（轨道铺设）会造成一定影响，但该影响范围很小。

图3 工况1堤防整体最大位移分布云图

图4 工况2堤防整体最大位移分布云图

图5 工况3堤防整体最大位移分布云图

图6 工况4堤防整体最大位移分布云图

2.3.2 堤岸整体应力

图7～图14给出了堤防岸坡整体在各个工况时的最大主拉和最大压应力分布云图。从图7～图14可以看出，与原状堤防岸坡相比，施加机车荷载后，堤防整体最大主拉/压应力的数值大小几乎没有变化，工况1最大主拉应力为0.58MPa，位于挡墙的面板与底板交接的底面，最大主压应力为1.22MPa，位于挡墙结构的扶壁处，工况2与工况1相比，施加机车荷载后，最大主拉应力为0.56MPa，位于挡墙的面板与底板交接的底面，最大主压应力为1.20MPa，对比工况3与工况4同样也是数值大小几乎不变，最大主拉/压应力发生部位一致。通过对堤防岸坡整体应力的分析计算可知，机车荷载的施加对堤防岸坡整体而言最大主拉/压应力几乎没有影响。

图7 工况1堤防整体最大主拉应力云图

图8 工况1堤防整体最大主压应力云图

图9 工况2堤防整体最大主拉应力云图

图10 工况2堤防整体最大主压应力云图

图11 工况3堤防整体最大主拉应力云图

图12 工况3堤防整体最大主压应力云图

图13 工况4堤防整体最大主拉应力云图

图14 工况4堤防整体最大主压应力云图

2.3.3 堤岸整体塑性变化

图15～图18给出了堤防岸坡整体在各个工况下的塑性应变应力分布云图。对比工况1与工况2，工况3与工况4可知，机车荷载的施加只对轨道基础以下的局部地基土体造成一定影响，与原状地基相比，堤防岸坡地基的塑性区域临水侧基本保持不变，而随着机车荷载的施加，机车轨道地基下方的地基土体会出现一定的塑性区域，但该区域并没有增大原状堤防岸坡地基的塑性区域，只是保持在机车轨道地基下部的局部区域。

图15 工况1堤防整体塑性应变云图

图16 工况2堤防整体塑性应变云图

图17 工况3堤防整体塑性应变云图

图18 工况4堤防整体塑性应变云图

3 三维有限元模型分析

机车荷载的施加对堤防岸坡整体影响是此次景观提升工程关注的重点，通过有限元ABAQUS软件建立铁路博物馆堤防段局部岸坡范围 （最不利断面处）三维有限元模型，对其整体的稳定性进行了分析，如图7～图18。

4 结语

（1）最高运行水位机车荷载和最低运行水位机车荷载施加后堤防岸坡的最大位移均位于铺设的铁路轨道基础处，分别可达25，24.6mm，机车荷载的施加对堤防岸坡局部范围的地基（轨道铺设）会造成一定影响，但该影响范围很小。

（2）不同工况下堤防整体应力数值大小变化较小，机车荷载的施加对堤防岸坡整体而言最大主拉/压应力几乎没有影响。

（3）机车荷载的施加，机车轨道地基下方的地基土体会出现一定的塑性区域，但该区域并没有增大原状堤防岸坡地基的塑性区域，只是保持在机车轨道地基下部的局部区域。