高填方渠道填筑施工三维模拟分析[1]

张治军，倪锦初 赵峰

（长江勘测规划设计研究有限责任公司 施工设计处，武汉 430010）

关键词：南水北调工程　高填方渠道　填筑施工　三维分析　MIDAS

1 概述

南水北调中线干线工程总长约1432km，填筑高度不小于6m的填方渠道长约137.1km，其中全填方渠道长约70.6km。长距离线性工程存在质量控制难，沿线地质条件多变、填筑料源不一，填筑渠道差异沉降等问题，一旦填方渠道失稳将产生严重后果。MIDAS三维有限元分析平台可以对南水北调中线总干渠高填方渠道分层填筑施工进行三维模拟，从而获得高填方渠道分层填筑施工变形较为集中的部位，为渠道分层填筑施工质量控制提供分析支持。

Midas GTS是韩国开发的一款界面简洁、前后处理功能强大，可以进行施工阶段多状态分析等功能的岩土工程分析软件，该软件具有快速有效的有限元分析求解器、CAD水准的多维几何建模、高级网格自动划分、最优图形处理和快速显示功能［1］。本文结合南水北调中线总干渠某高填方渠段填筑施工实际情况，利用MIDAS三维分析平台建立渠道分层填筑施工三维有限元分析模型，通过模拟分析初步获得分层填筑施工变形集中部位并提供加强分层填筑施工质量控制措施，以确保渠道分层填筑施工质量安全。

2 高填方渠道填筑施工三维模拟分析

2.1 工程概况

南水北调中线总干渠工程某高填方渠道段基础分为四层，从上到下依次为粉质黏土层、砂砾层、砂砾岩层和黏土岩层，有关力学参数如表1所示，填筑渠道典型横断面如图1所示。

图1 分层填筑渠道典型横断面图

2.2 填方渠道三维模型建立

根据高填方工程施工单元段实际，选取渠道轴向长50m，横向距两外坡底分别长50m渠段，按照设计每30cm的铺填厚度分层碾压施工进行填筑模拟，模型的底边设置为固定边界，横向和轴向边界的水平方向速度设置为零，允许竖向发生位移，地基土初始应力由自重应力考虑为有效应力，根据填方渠道基础地质资料在高程为132.2m处设为自由水头边界，地基四周和底面为封闭的固结边界。建立高填方渠道分层填筑施工三维有限元分析模型并网格化如图2所示。

图2 填方渠道三维模型网格化图

2.3 填方渠道三维有限元分析

根据2.2节建立的高填方渠道分层填筑施工三维有限元模型进行计算分析，可以获得分层施工典型阶段各状态分布云图分别如图3～图8所示。

图3 填方渠道填筑典型层施工位移分布云图

图4 填方渠道填筑典型层施工应变分布云图

图5 填方渠道填筑典型层施工应力分布云图

图6 填方渠道最后填筑层施工位移分布云图

图7 填方渠道最后填筑层施工应变分布云图

图8 填方渠道最后填筑层施工应力分布云图

由三维有限元分层填筑施工模拟分析结果可知：渠道分层填筑施工位移主要发生在填筑渠道的基础与渠堤底部交接处中心部位。随着渠道填筑高度不断增加，最大位移影响范围分布由最初的渠道外坡角部位逐步向渠道的基础与渠堤底部交接处中心部位转移，并最终发生在填筑渠道基础与渠堤底部交接处中心部位，渠道内外坡面位移也随着渠道填筑高度的增加而增大。

渠道分层填筑施工引起的剪应变主要发生在填筑渠道渠堤下部中心部位。随着渠道填筑高度不断增加，剪应变影响范围分布由最初的渠堤基础部位逐步向渠堤底部中心部位转移；初始剪应力集中在填筑渠道基础部位，随着填筑高度增加剪应力分布均匀上升至渠堤底部。

2.4 填方渠道施工质量控制加强措施

填方渠道变形是多方面因素综合作用的结果，施工质量控制是其中非常关键的一个作用因素［2-3］。根据三维有限元分层填筑施工模拟结果，渠道填筑初期的内外坡角部位和渠道底部中心部位是渠道填筑施工发生变形较为集中部位，随着填筑高度不断增加，变形影响范围分布略有调整，在分层填筑施工时应对渠道填筑初期的内外坡角部位和渠道基础与渠堤底部交接处中心部位严格按照设计参数和要求进行填筑施工。

同时还需针对渠道基础与渠堤底部交接处中心关键部位压实度进行不定时施工检测加以严格控制，严格控制碾压机械施工，碾压应沿总干渠轴线方向行进，相邻碾压轨迹搭接宽度不应少于0.5m，边角部位或碾压机械无法到达部位必须采用小型机具压实或夯具夯实。采用夯具时，应通过现场试验确定夯实参数，采用连环套打法，夯迹双向套压，夯套夯1/3，行压行1/3。渠基碾压施工应及时挖除碾压土料因侧向位移出现的“爬坡”和“脱空”现象。通过采取适当加强质量控制措施，以确保渠道分层填筑施工及运行期安全。

3 结语

本文利用MIDAS平台针对南水北调中线总干渠工程某高填方渠道分层填筑施工单元进行三维模拟，通过数值模拟计算，可以直观地获得渠道分层填筑施工变形发生较为集中的部位，从而有针对性的采取有关工程措施对关键部位施工进行加强质量控制，为确保高填方渠道分层填筑施工质量控制和运行安全提供数据分析支持。

参考文献

［1］ 李治.Midas/GTS在岩土工程中应用［M］.北京：中国建筑工业出版社,2013.

［2］ 张春燕,赵峰,倪锦初,等.弱膨胀土筑堤碾压试验研究［J］.人民长江,2011,42(16):80-82.

［3］ 张彬,杜耀斌.浅谈南水北调渠堤填筑施工质量控制［J］.四川水利,2011(5):46-47.

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[1] *基金项目：国家科技支撑计划课题 （2011BAB10B05&2011BAB10B06）。