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2.3 穿黃工程設(shè)計解決的難題

2.3.1 初步設(shè)計方案影響復(fù)雜

穿黃工程線路總長7.87km,明渠、灘地埋管、穿黃隧洞、水閘都會導(dǎo)致相當(dāng)大的水頭損失。如何合理地確定穿黃工程進、出口水位,分期輸水流量,建筑物的布置和型式;如何確定輸水建筑物的進出口底高程、坡度、孔徑,合理地將可利用的總水頭分配給各個建筑物,是調(diào)水工程設(shè)計的一個重要問題。這不僅影響工程的輸水能力,而且還決定了工程投資、施工能否順利進行、后期的運行管理,以及當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、生產(chǎn)生活方式,甚至影響黃河大堤的安全。

2.3.2 地層—結(jié)構(gòu)法灘地埋管結(jié)構(gòu)優(yōu)化難度大

鋼筋混凝土埋涵可按傳統(tǒng)的荷載—結(jié)構(gòu)法或地層—結(jié)構(gòu)法分析。雖然后者更能反映結(jié)構(gòu)的真實受力狀態(tài),但在結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域很少用于工程實踐。因為埋涵優(yōu)化設(shè)計屬多場、多工況、多變量、多約束和多目標(biāo)的復(fù)雜的離散變量優(yōu)化問題。對于形狀優(yōu)化問題,幾何參數(shù)改變后網(wǎng)格的重新生成無法保證質(zhì)量。其次,結(jié)構(gòu)尺寸、鋼筋直徑和間距等是離散變量,傳統(tǒng)的解析算法無法勝任。另外,優(yōu)化設(shè)計在滿足材料最省的目標(biāo)時,還要滿足極限狀態(tài)和構(gòu)造要求。這些都給地層—結(jié)構(gòu)法優(yōu)化設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。

2.3.3 規(guī)范開挖邊坡穩(wěn)定分析方法存在缺陷

南水北調(diào)東線工程建設(shè)中有大量的渠道土質(zhì)邊坡,一旦失穩(wěn),不但影響南水北調(diào)工程建設(shè)的正常運行,而且可能造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡,因此其穩(wěn)定性問題一直備受人們關(guān)注。

南干渠渠道邊坡高5~6m,巖性主要為現(xiàn)代河流沖積層壤土、黏土和砂壤土,土層抗剪強度指標(biāo)較高,地下水位高出渠底1~2m,邊坡的整體穩(wěn)定性較好,但邊坡土層分布情況比較復(fù)雜,局部(豆山橋至淹豆橋之間)渠底砂類土較多的地段,輸水運行期和檢修期應(yīng)考慮輸水沖刷及水位變化對邊坡穩(wěn)定的影響。

目前,國內(nèi)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定研究主要集中在高土石壩、交通道路高邊坡等,極少研究大型渠道土質(zhì)邊坡穩(wěn)定問題。傳統(tǒng)渠道邊坡設(shè)計主要依據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50288—1999)和《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—1998),穩(wěn)定分析方法主要采用瑞典圓弧法或根據(jù)經(jīng)驗確定渠道邊坡坡度,也可參照碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范。上述規(guī)范中涉及渠道邊坡穩(wěn)定分析的相關(guān)規(guī)定見表2-1。

表2-1 渠道邊坡穩(wěn)定分析方法

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傳統(tǒng)的剛性極限平衡在理論上存在明顯的缺陷,計算結(jié)果誤差較大,難以準(zhǔn)確地評價邊坡安全性。借助于有限元對邊坡進行彈塑性流固耦合分析,根據(jù)等效塑性應(yīng)變確定邊坡最危險滑面的位置,并計算滑面上分布的正應(yīng)力與切應(yīng)力,計算基于“應(yīng)力水平”的安全系數(shù)。該方法能夠真實反映應(yīng)力狀態(tài),克服極限平衡法的缺點,適用于任意復(fù)雜的邊界條件。

使用有效強度參數(shù)分析邊坡穩(wěn)定時,可以得到真實的最危險滑動面。但是只有將有效強度參數(shù)與孔隙水壓力結(jié)合,它們才有意義。孔隙水壓力和強度參數(shù)本身同樣重要。穩(wěn)定分析應(yīng)準(zhǔn)確獲得孔隙水壓力分布。傳統(tǒng)的極限平衡法無法確定土體中孔隙水壓力分布。

2.3.4 干渠防滲、防凍、防揚壓要求高

南干渠沿線冬季氣溫低、地下水位高,渠床土質(zhì)多為粉黏粒含量高的凍脹性土壤,且有濕陷性黃土渠段,輸水渠全線的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件非常復(fù)雜。輸水渠道是遠距離調(diào)水工程的基本載體,防滲是保證渠道安全輸水的關(guān)鍵。因此,輸水渠全線渠道必須采取防滲襯砌措施,以減少滲漏、降低糙率,提高輸水能力及抗沖能力。而采取防滲襯砌措施后,如何防止渠床凍脹、地下水揚壓力和濕陷性黃土變形對襯砌體的破壞,是保證渠道安全的關(guān)鍵。

2.3.5 堵水和排水難度大

穿黃工程線路全長7.87km,穿越黃河及其灘地,連通東平湖和魯北小運河,地形、地質(zhì)條件復(fù)雜,地下水位較高。尤其是穿黃隧洞,位于地面以下約70m,具有黃河水、孔隙水、巖溶裂隙水“三水相通”特征,工程施工稍有不慎可能帶來嚴(yán)重的后果。施工時要高度關(guān)注堵水和排水的問題。

2.3.6 地基飽和砂土地震液化問題與地基處理

穿黃工程除穿黃隧洞圍巖為基巖外,其余建筑物位于黃河灘地,地基分布第四系全新統(tǒng)砂陸土和砂土,且處于Ⅶ度地震區(qū),因此地基飽和砂土地震液化問題不容忽視。對穿引黃渠埋涵和灘地埋管地基土應(yīng)采用綜合手段進行地震液化判斷,并對可液化土層提出地基處理措施。

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