塑性混凝土在中东地区大型船坞防渗墙中应用的模拟研究

李辉，阮心，刘洪涛

（中国电建集团山东电力建设有限公司，济南 250102）

1 引言

由中国电建集团山东电力建设有限公司所承建的沙特萨勒曼国王国际综合港务设施项目（简称“国王港项目”）是沙特“2030 愿景”国家改革计划的重要组成部分。该项目位于沙特东部阿拉伯湾沿岸，总面积约4 500 m×2 500 m，共有3 个干船坞，干船坞下设计有防渗墙，用以减少周边水系向干船坞中的渗流。

塑性混凝土防渗墙具有变形模量小、墙体应力小、不易出现裂缝、节省大量水泥、施工简便等优点。虽然塑性混凝土防渗墙在国内外已有了较为广泛的应用，但是在中东地区的应用还较少，特别是国王港项目所在的沙特阿拉伯境内还未见塑性混凝土防渗墙的成功应用案例。相较于普通钢筋混凝土防渗墙，塑性混凝土防渗墙可以大大地提高施工效率，降低成本[1-3]，通过软件模拟的方式，结合国王港项目特点，对塑性混凝土防渗墙的防渗和结构性能进行研究，以期能够为其在项目中的应用提供支持。

2 塑性混凝土防渗墙渗流分析

本项目中塑性混凝土防渗墙的厚度按照1 000 mm 进行设计，在3 个干船坞中，2 号干船坞单独布置，用于船只的检修维护，4 号和5 号干船坞相邻布置，用于新造船只的建设。本文主要对4 号和5 号干船坞下防渗墙的防渗、结构性能进行研究。防渗墙设置于干船坞钢筋混凝土坞墙、坞槛、泵房以及入口结构下方，用以控制干船坞使用时的渗流量，根据业主项目前端设计（Front End Engineering Design，FEED）中的要求，各个干船坞在使用时的最大渗流量不能超过500 m3/h，采用计算机模拟软件Slide（版本号：2018.8.028）对塑性混凝土防渗墙的设计方案进行2D 有限元渗流分析，用以验证所提出的设计方案是否能够满足FEED 中的最大渗流量要求。

2.1 渗流分析输入条件

渗流模拟中所使用的现场土壤剖面和特性主要来源于FEED 地勘报告中的现场和实验室结果，所采用的地面模型和岩土参数如表1 所示。

表1 4 号和5 号干船坞所在区域所采用的地面模型和岩土参数

塑性混凝土防渗墙的渗透系数在10-8～10-11m/s 范围内，为了充分保证渗流模拟结果的安全性，渗流模型中所采用的各土层材料的渗透系数均按最大值选取，塑性混凝土防渗墙的渗透系数取值为1×10-8m/s。

计算中的渗流具有实际水流的运动特点（流量、水头、压力、渗透阻力），连续充满整个含水层空间，是用来代替真实地下水流的一种假想水流。渗流流经的区域为渗流场[4]。

在有限元渗流分析中，干船坞根据不同的水边界条件如从防渗墙到海水的距离，码头中的水位和防渗墙的顶部标高等被分为不同区段，按照不同边界条件分区域计算其渗流量，得出的结果为单位长度下该界面的渗流量，总渗流量为沿防渗墙长度的积分。在进行模拟分析时，按照项目的FEED 文件中所设计的防渗墙顶部标高，防渗墙均位于基岩之上，坞墙下防渗墙的顶部标高为-19.3 m（CD），泵房、坞门及围堰附近坞墙下防渗墙的顶部标高为-21 m（CD），塑性混凝土防渗墙的渗透系数取值为1×10-8m/s，墙厚为1 000 mm。整个计算区域的水头取最大天文潮水位+1.81 m（CD），在渗流分析时均未考虑工程中临时防渗墙的作用。

2.2 4 号和5 号干船坞渗流分析结果

4 号和5 号干船坞的边界条件相似，尺寸较大的4 号干船坞将有较大的渗流量，因此，主要对4 号干船坞的渗流量进行分析。在对4 号干船坞进行分析时，假设5 号干船坞灌满水，水从5 号干船坞向4 号干船坞渗流，这样可以充分考虑各种因素，使实际工程中的渗流更加可控。4 号干船坞同样被分为4 段进行渗流分析，每一段的分段长度及Slide 中每一段的渗流分析结果汇总于表2 中，其中第3 段渗流量采用第2 段计算结果。

表2 4 号干船坞各段渗流分析结果

从以上对于4 号干船坞的渗流分析结果可知，塑性混凝土防渗墙可以满足最大渗流量不超过500 m3/h 的设计要求。

3 塑性混凝土防渗墙强度模拟分析

3.1 Plaxis 模型设置

塑性混凝土防渗墙在施工完成后将承受来自水平土壤的压力、上层建筑的荷载、自重荷载以及墙壁两侧的水压差异，采用Plaxis 2D（版本号：2018.01）对防渗墙进行有限元分析以验证所选取的防渗墙结构强度参数是否满足工程要求[5]。

采用Plaxis 模型对4 号和5 号干船坞的塑性混凝土防渗墙受力情况进行模拟，根据防渗墙的位置，Plaxis 中的防渗墙模型根据位置不同主要分为坞墙下防渗墙、坞槛下防渗墙以及泵房/坞门入口区域下的防渗墙3 种类型，其中泵房和坞门入口区域下防渗墙的荷载条件基本相同，但是泵房的荷载要大于入口区域，因此，仅采用泵房处的荷载条件来对坞门入口区域下的防渗墙进行计算。

在Plaxis 模型中，主要模拟了以下建设阶段的荷载：（1）现场排水并开挖至防渗墙和上层建筑物所需深度；（2）安装永久防渗墙；（3）施工上层建筑物；（4）施工船坞底板；（5）回填或开挖至最终标高；（6）拆除排水设施并使水位恢复至海平面，在此阶段中，干船坞内的水位以船坞底板的底部为准，干船坞外的水位按照海平面计算。

在Plaxis 模型中，采用基于摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）模型的实体元素对塑性混凝土防渗墙的受力情况进行模拟，防渗墙的厚度为1 000 mm。由于塑性混凝土的低强度、低刚度特性，塑性混凝土相比普通混凝土更接近于土壤或软弱岩石，但比土壤或软弱岩石更有弹性，与对于土壤的模拟相似，在Plaxis 模型中，通过摩尔-库伦模型引入内聚抗剪强度，数值等于UCS 的一半，塑性混凝土的加载割线刚度（E50）设置为150UCS。

Plaxis 模型中的土壤采用硬化土壤模型（Hardening soil model）进行模拟，硬化土壤模型是较先进的用于模拟不同类型土壤（包括软土和硬土）以及沙子和黏土的模型。该模型提供了土壤应变和剪切应力与应力依赖性土壤刚度之间的双曲类型公式，通过应用该模型设置不同的土壤刚度值可以较好地模拟土壤加载和卸载时的特性。Plaxis 中设置的土壤和塑性混凝土防渗墙的参数参照表1 进行。在防渗墙与周围土壤之间设置了标准的Plaxis 界面元素，从而可以较为准确地反映土壤与防渗墙之间的相互作用，界面强度按照周边土壤强度的0.7 倍进行计算。

3.2 塑性混凝土防渗墙结构验算结果

施工过程中，水位仍在临时开挖基坑底部以下，防渗墙上的上层建筑已经施工完毕并回填，此时由于水位较低，对于防渗墙的浮力较低，上层建筑和周围土壤作用在防渗墙上的力会大于正式完工后，通过Plaxis 模型，对施工过程中塑性混凝土防渗墙所受的切应力、压力、张力进行验算，干船坞中不同位置对于防渗墙强度的要求不同，在模型中设置塑性混凝土的UCS 如下。

1）对于坞墙下的防渗墙，塑性混凝土的UCS 取值范围为1.5～2 MPa，Plaxis 中的相关数据设置为UCS=1.5 MPa，E50=150×1.5 MPa=225 MPa。

2）对于泵房下的防渗墙，塑性混凝土的UCS 取值范围为2.0～2.5 MPa，Plaxis 中的相关数据设置为UCS=2.0 MPa，E50=150×2.0 MPa=300 MPa。

3）对于坞槛下的防渗墙，塑性混凝土的UCS 取值范围为2.0～2.5 MPa，Plaxis 中的相关数据设置为UCS=2.0 MPa，E50=150×2.0 MPa=300 MPa。

4 号和5 号干船坞防渗墙的结构验算结果如表3 所示。

表3 4 号和5 号干船坞坞墙下防渗墙结构验算结果

从以上Plaxis 验算结果可以看出，按照给定的UCS 施工的塑性混凝土防渗墙具有足够的结构强度，可以承受在施工以及正式工况下的剪切力、压力，同时还可以看出，由于塑性混凝土防渗墙具有较低的刚度，上层建筑所引起的防渗墙基本没有弯曲，验算中未发现张力的存在，这也是使用塑性混凝土防渗墙的一大优点。

4 结语

通过有限元模拟软件对国王港项目干船坞下塑性混凝土防渗墙的渗流量、强度进行了验算，结果表明，在渗透系数为10-8m/s 时，塑性混凝土防渗墙的最大渗流量可以满足干船坞的设计要求，其无侧限抗压强度在1.5～2.5 MPa 时，防渗墙具有足够的结构强度，可以满足结构强度要求，可以在国王港项目中进行应用推广。