不良地质条件下的水利工程围堰支护变形量估计研究

李孟芳 广东水电二局股份有限公司

目前，随着我国沿海城市的经济和文化水平不断提高，基础设施建设的需求也越来越大[1]。许多沿海城市由于建设用地较少，开始将建设中心逐步转移到海水区。大部分沿海城市都在海岸线附近建立起了跨海大桥、过江通道、海水码头等等建筑来满足其经济发展的需求。但海边天气复杂多变，风力通常较大，经常会出现海啸等地质灾害，容易威胁水利工程的稳定性。同时海水也容易造成水利工程的腐蚀，减少水利工程的使用寿命[2]。因此在海边进行水利工程施工时，需要在施工区外部搭建围堰，以保护施工区的作业不会受到海浪或海水等因素的干扰。围堰不仅可以抵挡海风，同时也有抗腐蚀的特性，可抵挡海水的侵蚀，同时围堰的支护结构也能在一定程度上降低海啸和潮水对于水利工程施工的不利影响。如果水利工程高度较高，则在修建围堰时还需要在下部挖建基坑。同时为保证水利工程的稳定性，在围堰和基坑之间还需要增加支护结构。支护结构可以对围堰的土体起到支撑的作用，分担围堰抵御海水的压力，在水利工程建设中起到了重要的作用。在水利工程支护结构应用后，通常会由于波浪压力的影响导致支护结构产生不同程度上的形变[3]，造成受力不均、支撑力减小等问题，无法保证水利工程围堰建设的安全性和稳定性。因此需要对支护结构的变形量进行估计，以达到提前防控地质灾害的目的。支护变形量通常受多种因素影响，例如地质条件、水文环境和自身结构等，在估算的过程中需要将多种因素进行结合，从而得到科学可靠的估计结果[4]。

1.不良地质条件下的水利工程围堰支护变形量估计

1.1 主被动水土压力计算

水利工程支护变形量最大的影响因素是结构所受的海水压力大小，因此如果想对支护变形量进行精准的估计，需要首先计算出不良地质条件下的支护结构受到的主被动压力大小，具体计算步骤如下：

根据水利工程围堰中常用的支护结构，假设防护基坑外围的墙体高度和挖掘深度为L和h，坑体内部与外部地下海水的深度a和b，支护结构个数为n，挖掘深度的最低值与顶部最高值的差值为Hn。根据库伦土压力理论围护墙体背面受到的土压力呈现放射性分布，可利用库伦土压力乘以荷载折算系数α得到围护墙体背面受到的土压力[5]。则挖土面上部和下部的围护墙体背面受到的土压力计算公式为：

其中，p1a与pa2分别代表挖土面上部和下部的围护墙体背面受到的土压力，q为载重量参数，γ1和c1分别代表墙体背面土体的粘合度和厚重度，Ka表示墙体背面土体受到的压力系数，A1、B1和C分别表示稳定常数、比例常数、土压力常数[6]。以下为墙体背面土体受到的压力系数与常量的表达式：

其中，1φ代表墙体背面土体的摩擦力。则墙体正面受到的压力分布情况可表示为：

其中，pp代表围护墙体正面受到的土压力，γ2和c2分别代表墙体背面土体的粘合度和厚重度，α代表荷载折算系数，Kp代表墙体正面土体受到的压力系数，A2、B2和C分别表示稳定常数、比例常数、土压力常数。以下为墙体正面土体受到的压力系数与常量的表达式：

其中，φ2代表墙体正面土体的摩擦力。当墙体正面和背面土体的水压力呈放射形分布时，则墙体正面和背面受到的水压力为：

其中，γw代表单位体积内水体的重量。根据上述计算公式即可求得围护墙体正面和背面受到的水体压力，即主被动水体的压力，为围堰支护结构变形量估计提供数据基础[7]。

1.2 支护变形量估计

假设支护结构产生支力的节点为H1和H2，顶部向上的提升力为T1和T2。如果在H1处施加一个竖直向下的拉力，那么该作用力对围护墙体所形成弯曲所需要的力矩为：

其中，E为转动抵抗力系数，θ表示转动角度。因此可得出提升力T1对围护墙体形成弯曲所需要的力矩为：

故在支点H1处，因提升力T1所形成的围护墙体在水平方向的变形量为：

其中，E1代表围护墙体的弯曲抵抗力系数，d代表弯曲形变值。

则在支点H2处，因提升力T2所形成的围护墙体在水平方向的变形量为：

则在围护墙体正面受到的土压力作用下，支点H1受到的水平变形量为：

墙体背面受到土压力的分布量为：

则对应的墙体弯曲所需要的力矩为：

根据（14）式可得在墙体背面受到土压力作用下支点为H1时墙体的水平方向形变量为：

则围护墙体正面与背面受到水压力所形成的变形量可表示为：

其中，Maw和Mpw分别表示墙体正面与背面受到的水压力使墙体弯曲所需要的力矩。

综上，可得出方向为竖直向下时，支护结构的变形量为：

2.实验验证

为了更好地说明提出的水利工程围堰支护变形量估计方法在估计精度上的优势，在理论方面设计完成后，进行实验测试环节，对该估计方法的实际计算效果进行分析。

2.1 实验环境描述

本次实验选取某市的海域围堰作为实验对象，通过提出的估计方法对该围堰的支护结构变形量进行模拟，以传统的估计方法作为对比对象，比较两种估计方法与实际测量值的拟合程度。海域围堰的支护结构图见图1。

图1 海域围堰支护结构图

海域围堰的支护结构属于永久性支护结构，具体深度为30m，表1为选用的海域围堰整体结构参数。

表1 海域围堰结构参数

该围堰采用锚杆作为主要支持结构材料，锚杆结构的具体参数如表2所示。

表2 锚杆支护结构参数

本次实验采用的对照标准为实际测量值的拟合程度，拟合程度越大代表估计方法越有效。为提高实验结果的可靠性，分别对比不同深度下，支护结构预估变形量与实际测量值的拟合程度

图2 支护估计变形量对比

2.2 实验结果

根据实验结果可知，不同深度下，支护结构的变形程度也有所不同，传统的变形量估计方法与实际测量的变形量的拟合程度较低，说明利用传统估计方法估计出的围堰支护结构变形量与实际的变形量差值较大，无法对围堰支护结构变形量进行准确估计，容易影响施工质量，不利于水利工程施工的开展。而提出的支护结构变形量估计方法与实际测量的拟合程度上明显更高，说明提出的估计方法可以对支护结构变形量进行准确估计，在估计精度上更占优势。这是由于本文提出的变形量估计计算方法是通过计算主被动水体的压力来得出支护结构变形量的，计算出来的变形量更贴近实际测量值，可用于水利工程施工中对围堰支护结构变形量进展准确预估。

3.结论

本文所提出的不良地质条件下的水利工程围堰支护变形量估计方法。通过对主被动水土压力进行计算得出影响支护变形量的因素参数，在此基础上估计出的支护变形量更贴近实际测量的数值，具有科学性与参考价值，可以应用于实际的水利工程围堰支护估计当中。在预估精度上可以满足围堰支护的建设需求，做到精准预估，能够帮助工程人员更好地掌握围堰支护的形变程度，保证支护的结构安全性与稳定性。有利于提高我国水利工程建设的施工效率与质量，减少建筑物失稳坍塌的风险，在地质灾害发生时能够对建筑物进行有效地保护。