南水北调中线有压箱涵渗漏力学特性研究①

付清凯,刘卫其,张 登

(1.南水北调中线干线工程建设管理局天津分局，天津 300000；2.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401)

0 引 言

天津干线工程是南水北调中线一期工程的重要组成部分，是解决天津市水资源紧缺、保证国民经济可持续发展的重要战略性工程。天津干线目前整体运行状态良好，基本处于安全状态下，但在变形缝部位出现了多处渗水的情况，为了解箱涵在渗漏条件下的运行状态，针对渗漏处箱涵结构力学特性进行了研究[1-2]。

1 箱涵渗漏模拟简介

1.1 涵渗漏情况

箱涵在运行过程中，部分地区出现表面出水现象，渗漏水流出表面，影响了箱涵周围的土体，给箱涵安全运行带来隐患。经勘察分析发现，于箱涵变形缝处出现渗漏点，导致箱涵内水在承压条件下发生渗漏，初步排查，箱涵变形缝处渗漏点分布无明显规律。

1.2 计算模拟方案

1.2.1 箱涵结构

天津段的三孔箱涵，单节箱涵长度15m，孔口尺寸为4.4×4.4m，箱涵材质钢筋混凝土，计算时采取C30混凝土参数，箱涵断面计算模型图如图1。

图1 箱涵模型断面图

1.2.2 模拟方案

运用FLAC3D灵活地进行计算模拟[3]，其单元材料采用线性或非线性模型，材料发生屈服后，能够发生相应的变形或移动，在采用显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术[4]的情况下，模拟能够非常准确地表现材料的塑性破坏和流动[5]。

为充分模拟箱涵渗漏情况，将箱涵渗漏点分布于变形缝上，其渗漏点位(顶部、侧面、底部、角部)为四个，具体位置如图2。模型土体的左右边界及下边界为法向零位移，零速率的不可透水边界，土体上边界无约束可透水的边界，箱涵边界为不可透水边界。

图2 箱涵渗漏点

结合参考地质勘察报告中的土层参数，给出每个地区进行计算模拟时的参数如表1。若考虑回填土，参考相关的工程经验，可以考虑取其渗透系数为正常条件下的2-3倍。

表1 土层计算参数表

2 模拟结果

2.1 三维模拟模型

计算时在水流方向取15m长度，横向40m计算宽度，垂直地平方向取20m，其三维模型如图3。

图3 三维模型图

2.2 渗漏模拟分析

进行渗漏模拟时，以单一点位渗漏为前提，主要分析不同点位渗漏对箱涵周围土体及箱涵结构的影响，给出图2中A位置在多种工况下的模拟分析结果。

2.2.1 非回填土条件下A位置渗漏模拟结果及分析

该情况下的模拟分析主要考虑，箱涵中间底部开始渗漏，箱涵周围土当做非回填土，非回填土的渗透系数相差较小，渗漏水主要在重力作用下向下渗流，直至相对稳定状态。

如图4，渗漏时间50.2d，饱和区域主要分布在箱涵下部。箱涵中间部位底部产生裂缝，产生渗漏，渗漏范围逐渐向下向周围扩散，由于周围土的渗透系数相差不大，渗漏水没有明显的渗流倾向，因此主要在重力作用下向下流动，最终达到渗流范围扩散很慢时，计算停止。如图5，土体浸水软化造成土体抗剪强度及黏聚力下降，在地应力重分部及相应的土体重力作用下，软化土体产生蠕动，导致箱涵上部产生最大竖向位移为4.27cm，位移分布区域呈现明显对称形状。

图4 土体饱和度分布图

图5 箱涵及土体竖向位移图

如图6，渗漏水的渗流范围相对稳定时，箱涵结构应力云图，最大主应力为1.65Mpa，位于箱涵中间部位，箱涵处于安全状态。

图6 箱涵结构应力云图

2.2.2 回填土条件下A位置渗漏模拟结果及分析

该情况下的模拟分析主要考虑，箱涵中间底部开始渗漏，箱涵周围土体是回填土，回填土相应的渗透系数相对于原状土来说更高，因此渗漏水容易在回填土区域产生渗流。

如图7，为渗漏时间进行到23.5d时的土体饱和度分布图，此时饱和区域主要分布在相应的回填土区域。箱涵中间部位底部产生裂缝，渗漏水向渗透系数较大的区域流动，逐渐向上发展，直至地表出水。如图8，当箱涵底部发生渗漏后，渗漏水向箱涵周围回填土区域逐渐发展，土体浸水软化造成土体抗剪强度及黏聚力下降，在地应力重分部及土体重力作用下，软化土体产生蠕动，最大位移位于箱涵角点外部，为4.52cm，位移区域呈对称形状。

图7 土体饱和度分布图

图8 箱涵及土体竖向位移图

如图9，为渗漏水流出地表后的箱涵结构应力云图，最大应力为1.15MPa，出现在箱涵中间部位，此时箱涵处于安全状态。

图9 箱涵结构应力云图

2.2.3 多位置多工况条件下渗漏模拟结果

在进行箱涵模拟计算时，除考虑了如图2的多个渗漏位置外，还考虑了土质及底部垫层的影响，现将各种工况下的模拟结果汇总如表2，前文中的算例分别对应编号3、1。

表2 多工况模拟计算汇总表

3 结 语

箱涵渗漏时渗漏水对周围土体产生作用，使土体强度变低，进而造成土体发生变形及沉降，对箱涵结构产生影响。在一定时间内，土体产生位移对箱涵本身位移的影响不大，箱涵的位移相对很小，并且其应力普遍小于2MPa，处于混凝土应力限值以下，因此可以判断，在文中模拟的情况下，箱涵处于安全状态。在长时间渗漏情况下，对箱涵结构的影响不可忽略，建议进行补漏修补操作。