U型槽（精选5篇）
U型槽 篇1
由于微带天线具有体积小、剖面低、重量轻、易馈电以及易与载体共形安装等优点,被广泛应用于测量和通讯的各个领域。但是,由于微带天线是一种谐振式天线,高Q特性决定了其带宽较窄。针对扩展微带天线的频带问题,已经有很多设计方法,如增加寄生单元、增加匹配网络、缝隙耦合馈电、采用多层结构等。文中利用加载U型槽的方法产生新的谐振点,从而达到增加微带天线带宽的目的。
1 天线结构设计
天线的基本结构如图1所示。该天线为单层矩形结构,因此保证了天线的低剖面性,且在实际应用中制作简单、成本低廉。介质层尺寸为L×W,厚度为h,相对介电常数为εr;沿天线纵轴方向加载两对称U型槽,横向槽长度为lf,竖向槽长度为wf,槽宽度为d。
设计通过辐射板上加载两U型槽,增加了电流路径,在边缘处产生反向电流激励,从而产生新的谐振点,当新的谐振频率与原谐振频率很接近时,微带天线的带宽便得到展宽。同时,基板厚度h和介电常数εr均对微带天线的带宽有影响。h越大,频带越宽,但厚度加大使得天线尺寸增大,破坏天线的低剖面,且会引起表面波的明显激励。εr与天线的尺寸成反比且其越高天线的带宽越窄。因此,设计中应综合考虑选择适当的基板介电常数与厚度。为便于天线组阵时功率的平均分配,采用一分二功分器结构,枝节参数利用TXline软件计算得出。
2 天线仿真分析
以图1的天线结构为基础,采用介电常数εr=2.94的介质材料,设计了一个中心频率在13.5 GHz的天线,并使用电磁仿真软件HFSS 13.0进行仿真分析。
该天线可以产生两个谐振点,由于U型槽对微带天线频率的谐振点和带宽有很大影响,在此重点讨论U型槽不同参数对天线的影响。因为不希望多余的谐振点产生,故文中将两个U型槽的横向长度与竖向长度设为一样。为研究方便,设定其他的参数为定值,分别改变lf、wf及d的值以考察其对天线性能的影响。
当增加U型槽横向长度lf和竖向长度wf时,电流路径增加,谐振点位置随之变化,高、低频谐振点均向低频移动,且高频谐振点移动速度较快,如图2和图3所示。U型槽宽度d对低频谐振点带宽影响不大,只是发生了轻微的偏移,高频谐振点向低频移动,如图4所示。
优化U型槽各参数后,继而研究改变U型槽与贴片的相对位置以及在地板上的位置对天线各参数的影响。仿真得知,当介质板厚度h从1.316～1.716 mm以步进0.1 mm变化时,天线回波损耗较为明显,最大增益变化不大,天线在谐振点12.83 GHz及15.06 GHz的阻抗带宽与增益变化如表2所示。而两U型槽间距a以中心波长λ=21.4 mm为参考点左右各1 mm范围内变化时,天线回波损耗和最大增益几乎不变。
通过仿真分析,调节各参数使两谐振点最优组合,得到S11性能最好的结果,优化后天线参数设计如表1所示。
3 结束语
微带天线的窄频带特性限制了微带天线的大范围使用,文中通过Ansoft HFSS 13.0软件建立天线模型并进行仿真分析,提出了在天线辐射板上加开对称U型槽的优化方法,明显改善了天线的电性能参数。
摘要：提出一种新型的低剖面宽带开槽微带天线。该天线通过U型槽加载,从而产生新的谐振点,达到展宽带的目的。采用HFSS软件对提出的天线模型进行仿真优化,结果显示,该天线在12.83 GHz、15.06 GHz两个频点产生谐振,天线阻抗带宽达到940 MHz和770 MHz。
关键词：U型槽,AnsoftHFSS,回波损耗
参考文献
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浅淡渠道U型槽的安装及施工 篇2
1 严把好预制权入场关
莆田地区采用的砼U型预制板是由LZYB-1型砼构板成型机生产的, 有D120、D80、D60三种型号。首先根据实际灌溉面积的大小, 通过流量计算选择合适型号。对使用的预制板要严把入场关, 按批次抽检质量, 回弹试验, 强度达到20MPa, 表面无蜂窝麻面, 否则一律不能用于安装。
2 安装与施工
砼U型槽的安装工序由填土碾压, 基槽开挖, 安装勾缝, 修整堤顶坡等部分组成。
2.1 填土:
碾压U槽基础的密实度关系到渠道寿命的长短, 为此必须重视填土夯实的质量。首先按照设计图纸, 进行土方回填及夯实。填土碾压高度一般要求至渠深的3/4处, 这样既节省碾压方量, 又便用于安装。夯实后每10m进行干密度抽检, 密度达到1.55g/m3以上, 同时注意顶面平整, 以保证渠槽开挖准确。
2.2 开槽:
由施工场地和工程量大小, 选择挖掘机或人工开槽。根据放好的中心线和测好的高程开挖渠槽, 宽度和深度一般掌握与砼预制板内径相同。若用挖掘机, 槽底部应预留5cm原状土, 上开口宽度大于设计宽度10cm.然后放样架槽工修理。
2.3 修槽:
开槽完成后, 一般先打上中心桩和高程桩, 桩距20cm, 在桩一侧安装样板 (一般选用现有的U型预制板) , 然后在样板内侧挂线, 上边线后缝宽不应低于15cm, 样板一半高处缝宽不应小于10cm, 样根底部不应小于7cm。自上而下进行修槽, 直到符合设计的渠槽。
2.4 安装:
首先掌握上口两边线的平直, 其次是底缝的顺直, 接缝均匀。
安装前应先加密高程桩, 一般间距10m左右, 然后测量样板, 顶两侧应等高。一般挂三条线, 下边一条备板底, 上边两条管板顶, 板顶高程偏低于1cm, 板底高程偏差应小于0.3cm。相邻两板之间缝宽3cm。两侧板高1/2以下, 先抹3:7泡灰泥, 然后安装U型预制板, 1/2~4/5高度添加驳硬的3:7泡灰泥。用木夯轻轻夯实, 板后泡灰泥密实度应达到90%以上。
2.5 勾缝:
勾缝前应先清缝, 清缝深度应超过板厚, 特别注意应清净板壁上附着的泥浆。然后用水泥素浆均匀涮两遍缝隙, 未干以前用100#干硬性普通硅酸盐水泥砂浆分次填缝, 捣实, 划出宽2cm, 深0.5cm的凹槽, 用1:1水泥砂浆罩面, 压实, 压光, 压平, 裁去毛边。
2.6 修埂:
在填缝材料基本凝固后修埂, 埂高超过板顶20cm, 埂宽不低于60cm, 用木夯实。
2.7 养护:
勾缝后盖塑料布或撤水养护, 保持缝面湿润, 一般不应少于7天, 冬季采取相应的保湿措施。
3 注意事项
3.1 U型槽适合挖方段单纯防渗, 填方段最好不使用U型槽防渗;
纵坡的选择需根据地形条板, 可选用较大纵坡, 灌区部分支渠为东西走向, 纵坡可选为1/200, 这样可减少冻帐, 增加抗冻帐性, 延长娶道使用寿命。
3.2 建筑物与U型槽上下连接处是渠道的薄
弱环节, 施工时应注意建筑物的宽度与U型槽上开口相同, 上下游不能雍水;连接处基础土层应检验确保密实度达1.55g/m3以上。
3.3 勾缝:
缝宽2~3 cm, 清缝深度比板厚大0.5 cm以便水泥砂浆与U型槽后壁相结合。勾缝时最好勾成凹缝, 平缝或凸缝易脱落影响使用效果。
3.4 如果渠边带路, 堤顶要高出或低于路面, 以防机动车压坏渠道。
摘要：介绍渠道U型槽安装工序及其施工方法。
U型槽 篇3
关键词：小型渠道,U型槽,渠道衬砌,灌区改造
近些年来, 国家对农村水利建设的投入很大, 其中小型灌溉渠道的防渗衬砌占了很大的份额。通常情况下, 小型灌溉渠道防渗衬砌方式有以下几种:预制混凝土U型槽衬砌、预制混凝土板衬砌、现浇混凝土衬砌以及其他复合材料、砖、石衬砌等等。因为U型槽可采用预制装配式施工, 操作简便;且具有良好的防渗效果、水力性能及抗外力性能等优点, 省工省料省时、占地少、便于管理, 又可提前进行预制, 因此, 目前在小型灌溉渠道的防渗衬砌中应用较多。为了既满足灌溉防渗要求又节省资金, 本文就U型槽衬砌断面大小规格的选定进行了研究与探讨, 提出了简便易行之方法。
1 U型槽衬砌断面常用型式与规格
U型槽衬砌一般适合于流量Q≤0.4 m3/s的小型灌溉渠道, U型槽的制作现在绝大多数都是机械化生产, 既可保证施工质量, 又可缩短工期。经过反复的设计研究与实践论证, 形成了目前常用的U型槽横断面形式, 其横断面示意图如图1。
r为下圆弧半径, cm;h1为圆弧段水深度, h1=r (1-sin α) , cm;α为直立段外倾角度, 根据相关研究成果及市场现有U型槽模具规格, 取α=14°;θ为圆弧段圆心角, θ=180°-2α;h2为圆弧段以上至水面的深度, cm;h为总水深, cm;H为衬砌渠槽深度, cm;B为衬砌渠槽口宽, cm; a, a1为渠堤和衬砌超高, m;δ为衬砌厚度, cm;b为两翼伸出长度, 一般采用 (2～3) δ, 其作用是增加渠槽刚度并防止地表水进入衬砌体与基土的结合面, cm;i1为渠堤顶面向外的坡度, 一般采用1/30～1/50。
U型槽的常用大小规格为UD30～80 (D=2r, 即直径, 单位cm, UD即U型槽规格, UD30即直径D为30 cm的U型槽) 。按照渠道设计流量、比降的不同, 采用不同规格的预制混凝土U型槽。断面设计时, 计算糙率取n=0.014, 渠堤超高取a=0.2 m, 衬砌超高取a1=0.1 m。
2 U型槽大小规格的选定
2.1 计算出不同直径、水深、比降的相对应流量表。
U型槽断面直径、水深、比降是确定其过流能力的三要素, 通常在已知直径D、水深h、比降i的情况下, 按照明渠均匀流流量计算式 (1) , 计算流量, 并根据计算流量和设计流量的差值, 调整直径D或水深h。
式中:Q为流量, m3/s;W为过水断面面积, m2;R为水力半径, m, 即w/x (x为湿周) ;C为谢才系数;i为渠底比降。
为了查算方便, 表1给出了不同直径、水深、比降相对应的流量表, 同时, 结合江西的实际经验, 给出了对应的渠深H和U型槽的厚度, 供实际应用参考。
2.2 U型槽大小规格的选定
在已知渠道设计流量和渠道比降情况下, 选择何种规格的U型槽, 是我们经常要遇到的问题。现在这问题变得简单了, 根据以上“不同直径、水深、比降相对应流量表”, 即可选定合适规格的U型槽型号。在此要强调的是, 在已知渠道设计流量和渠道比降选择U型槽型号时, 应优先选用深窄式槽, 也就是直径小, 水深较深的U型槽, 一是可以减少占用土地面积, 二是有利于抬高水面线便于自流灌溉。此外, 如实际比降与表中所列比降不一致, 可采用“内插法”选定。
现举例如下:
某渠道设计流量Q=0.1 m3/s, 渠底比降i=1/1 500, 采用预制混凝土U型槽衬砌。
查“不同直径、水深、比降相对应流量表”, 比降i1=1/1 500列, 满足流量要求的有UD50深50 cm槽和UD60深45 cm槽, 按优先选用深窄式槽的原则, 选定槽型为UD50深50 cmU型槽。
3 结 语
小型灌区改造、大中型灌区田间配套、土地整理等, 都涉及末级渠道的防渗衬砌。U型槽以机械化生产、防渗效果好等优点, 被广泛使用。在总结实践经验的基础上, 通过水力计算, 制作实用的图表, 可为快捷、方便选型提供便利。
参考文献
[1]田富.实用水利技术手册[M].北京:中国水利水电出版社, 1995.
U型槽 篇4
关键词：下穿既有线,U型槽,开挖支护,抗滑桩,监测
1工程概况
某城市立交桥工程是该市城市交通规划“四纵四横”主干道A路与B路的立交交叉, 它的建成将极大缓解两条主干道的交通分流以及机场前往该市主市区的交通分流。同时, 又是提高城市交通环境的重要工程。在立交与既有铁路的交叉处, 既有上跨铁路的现浇桥梁, 又有下穿铁路的地面道路和管线, 同时由于交叉处位于城区、铁路处于弯道, 南侧、东侧为既有铁路, 距离6～30 m, 北侧为房建开发施工区, 现场地形复杂。其中W线道路采用箱涵下穿铁路, 按照拨线施做箱涵框架, 完成框架结构后铁路恢复原位。地面以下道路部分采用U型槽连接。U型槽的设计总宽度最宽处达66 m, 由W4、W2S、W2N、W3等四道U型槽组成, 每道U型槽之间设6.28～6.8 m绿化带, W4、W3为临边基槽, 基槽开挖深度2～8.8 m。A路东段U型槽地段横断面布置见图1。经核查场地无管线;土的内摩擦角200, 稳定边坡为1∶2.5, 靠近铁路施工的基坑必须安全防护, 在滑动面以内时, 计算应考虑列车荷载产生的附加荷载压力。
1.1 开挖土质情况
施工场地处于秦淮河漫滩一级阶地, 表层素填土呈灰黄色, 软塑为主局部硬塑, 为亚粘土混少量碎砖、碎石填积, 土质不均, 层厚2～3 m;其下分布:亚粘土, 呈灰黄色, 软～流塑, 低塑性, 层厚2～4 m, 埋深2 m以上;第三层为亚粘土, 灰色、稍松中密, 承台基坑深度在第二层以上。在基坑开挖深度9.3 m以内的垂直固结系数为29.8×10-3cm2/s (平均值) , 最大值为52.6, 最小值为9.63, 土的固结程度依含水量的大小而变化, 详见表1。
1.2 水文地质情况
表层人工填土, 透水性好, 且由于其厚度不大, 含水不很丰富, 全新世沉积②-1亚粘土、②-2淤泥质亚粘土为饱水层, 但透水性弱;②-3a亚砂土饱含地下水, 含水丰富, 透水性较好;承台低标高均在②-1和②-2层, 虽透水性弱, 但饱含水份, 水位在地面以下1.0～2.8 m, 水量大, 基坑开挖深度内为潜水。
2基坑支护方案的比选
由于建设区域地形复杂, 临近铁路、民居, 加上地质条件恶劣, 要求施工安全必须达到万无一失。根据设计情况和工程地质、水文和周围环境进行方案选择, 从安全、经济、现有条件等各方面综合考虑, 经比选 (见表2) 施工方案确定为:基槽深度在3 m以内采用放坡开挖, 3 m以上深基坑采用单悬臂水泥混凝土灌注桩作为抗滑桩支护, 支护桩桩长18.2～22.6 m, 桩体支护外侧设3排深度8～10 m的水泥搅拌桩做止水帷幕, 采用2台PC220挖掘机分层开挖, 10台自卸车运土, 基槽内设三排降水井, 采用砂井法设置。
3施工工艺
(1) 施工工艺流程。
基坑支护→井点降水→排水沟设置→基坑开挖→支护桩监测→荷载板试验→基底 (U型槽垫层) 。
(2) 支护体系施工。
支护桩采用钻孔灌注桩, 设计桩顶标高低于U型槽顶标高, 设为9.2 m, 桩长18.2～22.6 m, 计60根, 18.2 m桩计40根, 22.6 m桩长计20根, 设于W4线靠近铁路一侧。W3线支护位置为:W3K0+192.58～W3K0+212.58;W4线支护位置为:W4K0+202.888～W4K0+242.888;桩径1 000 mm, 间距1.05 m, 一字型布置, 临近铁路12.5 m桩钢筋笼主筋采用25根Φ32, 其他支护桩钢筋笼主筋14根Φ22, 箍筋按构造设置采用Φ10@200保护层, 钢筋采用Φ16设置成耳状筋, 加强筋采用Φ16@2 000。施工时, 两个同时施工桩间距大于4 m。开挖范围设水泥搅拌桩止水帷幕, 共三排, 桩长15 m, 桩径0.5 m, 间距0.5 m。
支护桩完成后, 开挖出桩顶, 露出50 cm桩头钢筋, 作60 cm厚桩冠联接墙, 侧面设8根ϕ16纵筋, 间距15 cm, 箍筋按照构造要求设置间距30 cm, 采用ϕ12钢筋。
支护桩及止水帷幕施工完成一段, 即在止水帷幕一侧设置截水沟, 沟宽1 m深0.5 m, 沟内铺设塑料薄膜。
3.3 井点降水的设置
井点降水在各线间的绿化带中间设置, 共计3排井眼, 间距10 m, 计28个井眼。采用钻孔机械钻眼至开挖深度以下3 m, 将Φ300钢管设砂眼包裹过滤网吊入孔眼中间, 然后在钢管井四周填细石或粗砂, 开挖前先进行降水两个工日。抽出的水经沉砂池经排水管往附近旭光厂中的排水井排出。
3.4 基坑开挖
采用挖掘机分层开挖, 使支护桩受力均匀。作业方法以反铲挖掘机配合自卸车在地面作业。机械不允许在坑内作业。在开挖过程中, 控制开槽深度, 不允许超挖, 予留30 cm土人工清除, 避免扰动基底, 放坡开挖的位置要将坡度削平, 坡上荷载卸除。开挖过程中, 密切监测支护桩变形。
4支护桩的监测
基槽内土体开挖后, 支护桩受力变形, 桩后软土变形沉陷和土体横向变形一致。支护桩嵌入土中较深, 按悬臂梁体计算铰接点在Q=0处, 即在桩顶以下8.18 m处, 沉陷土体位置X0=8.18×tg (45°-4/2) =5.7m, <6 m。支护体系微小变形不会影响到铁路基床, 但变形过大, 土体滑移将改变支护桩受力模式而破坏, 因此, 基坑开挖及地下结构施工期间必须加强基坑监测。本基坑安全等级为一级。
4.1 测试内容
(1) 地面沉降位移观测。
①沿支护桩圈梁顶面每隔15 m设一观测点;②沿铁路线两侧每隔15 m设一观测点;③对南侧靠近基坑的住宅楼设四个沉降观测点。
(2) 深层水平位移量测。
共布置8根左右测斜管, 测斜管深度20 m。
(3) 桩身应力量测。
选择5根左右支护桩, 采用钢筋应力计量测。
4.2 监测要求
(1) 所有测试点、测试设备需加强保护, 以防损坏。
(2) 量测周期。基坑土方开挖到地下室侧壁回填。
(3) 测试单位需及时向设计人员通报测试结果并提供最终测试成果。
4.3 监测与测试的控制要求
(1) 支护桩。
水平位移速度不超过3 mm/d;位移总量小于5‰挖深。
(2) 铁路及建筑沉降速度不超过3
mm/d;位移总量小于30 mm, 房屋差异沉降不超过1/1 000。
(3) 桩身应力及支撑轴力。
达到设计值的80%。
5安全验算
5.1 坑壁垂直, 放坡开挖的最大允许高度
垂直开挖最大允许高度:
hmax= 2C/Kγtg (45°-14°/2)
开挖坡角45°时, 土坡稳定时的允许最大高度 (无坡土荷载) 为:
h=10sin 45°cosφ/ (18.6×2× (45°-14°) /2)
式中 γ—土的重度, 取18.6 kN/m3;
φ—内磨擦角, 取14°;
C—粘聚力;
K—安全系数, 取1.25, 坡土荷载=5 kN/m2。
5.2 悬臂钻孔灌注桩支护计算
基槽最大开挖深以6 m计, γ=18.6 kN/m3, 内摩擦角ϕ=14°, 内聚力C=10 kPa, 坡上不允许大型机械作业, 仅按轻荷载5 kN/m2计算。列车荷载取特种荷载25t×3/1.5m×2, W4主线距铁路较近处按铁路特种荷载换算成均匀荷载计算。原路基边坡1∶1, 基床 (轨枕) 宽按2.5 m, 最近处5 m, 下传压力为:
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以不利状态将铁路均布荷载土移至坡顶, 即坡上均匀荷载以16.51 kN/m2计列。悬臂桩排与铁路位置关系见图2, 桩体受力见图3。
桩的嵌固深度l计算
已知γ=18.6kN/m3 , φ=14°, C=10kPa
换算深度:
h1=P÷γ=16.5÷18.6=0.89m
换算容重:
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主动力压力系数:
Ka=tan2 (45°-4/2) =tan2 (45°-20°/2) =0.49
被动力压力系数:
Kp=tan2 (45°+4/2) =tan2 (45°+20°/2) =2.04
undefined
a=2/3h=2/3×6=4m
土综合压力系数:Kγ= (Kp-Ka) γ1= (2.04-0.49) ×21.359=33.11kN
根据土综合压力系数可求得m=0.737, n=0.36
W3=m (1+W) -n 解之得:W=1.05
则φ=0以下嵌固桩长:
x=WL=1.05×8.18=8.589
桩需嵌固深度为:
t=u+1.2x=2.18+10.306=16.57m≈16.6m
桩长为:L=H+t=6+16.6m=22.6m
最大弯距:
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桩结构计算
拟采用ϕ1 000 mm灌注桩, 桩截面积A=785 400 mm, C25混凝土, fcm=13.5N/mm2, 假定受压混凝土截面积的圆心角为200°, fy=290N/mm2
由:undefined查表φ==0.556 φt =1.25-2φ=0.139
undefined
undefined
φ32∶A3′=804.25
n=19866÷804.25=24.7
取25根。
因较大弯矩区作用在距桩顶8.18～12.235处, 此部分桩配筋设计适用于距铁路12.235m以内的桩。
6安全施工注意事项
(1) 开挖基槽前将支护桩后表面土体 (地面以下1.0～2.0) 卸荷, 以减小压力。
(2) 靠近支护桩一侧, 禁止大型施工车辆行走, 安全行驶距离为6 m。
(3) 严格按支护方案施工, 特别是加强内撑, 及时施做U型槽道路钢筋混凝土封底垫层, 减小支护体系位移减弱被动土压力。
(4) 在基坑开挖过程中加强位移观测, 位移过大, 立即采取加密支撑等措施。
(5) 在施工中, 确保操作安全、规范, 加大人力、物力, 加快施工进度。每完成一道工序马上回填基坑, 减少基坑暴露时间和基坑深度, 确保安全。
(6) 基坑支护桩外侧设截水沟, 宽1 m、深0.5 m, 并用塑料覆盖, 积水与井点抽出的水一起汇集到沉砂池, 排到附近的排水管道内。
7结束语
基槽开挖施工要求在临空面侧确保挖方边坡的绝对稳定, 要有万无一失保证临近建筑安全的工程措施。抗滑桩以承受水平推力为主, 桩尖应嵌固于稳定密实的地层中一定深度, 但软土、流塑亚砂土不具备对桩尖起锚固作用, 桩尖最好嵌入岩层中, 若嵌入硬塑亚粘土中, 需慎重验算其抗滑能力, 若按被动土压力计算, 则需考虑抗滑桩外移变形对铁路路基产生变形值大小的预测。本次通过成功设计、组织实施临近铁路、房屋建筑以及软土、流塑亚砂土等不良地质情况下的基槽开挖支护施工, 确保了既有铁路临时通道路基的绝对安全, 可作为单悬臂支护抗滑桩施工的范例。
参考文献
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[2]建设部.国内十项建筑新技术[S].
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[4]建筑施工手册[M].
U型槽 篇5
随着我国铁路及公路等交通基础设施的快速发展，交通建设要求和标准也不断增加。为了保证行车速度和交通安全，大量的铁路、公路平交改为立交，一些线路不可避免的以路堑下钻的方式通过地下水位较高的地段，封闭式路堑U型槽结构由此开始出现，且应用逐渐增多[1]。由于封闭式路堑U型槽为纯地下结构，须进行抗浮设计，以避免地下水位在各种自然、人为因素影响下超过U型槽结构底板而产生上浮问题，以确保构筑物的安全。
抗浮设计水位数值是抗浮设计所需的重要参数。抗浮水位取值过高，则必须采取抗浮措施，导致投资费用增加，造成浪费;取值过低，则水位上升可能导致构筑物结构破坏甚至整体上浮[2]。因此抗浮设计水位取值合理与否直接关系到构筑物的安全性及经济性。
封闭式路堑U型槽结构作为较大跨度工程，在对其进行抗浮设计水位分析时，需重点考虑以下问题:(1)U型槽结构跨越区域相对较大，不同区域含水层岩性及分布特征、地下水赋存状态可能存在一定差异;(2)对于远期最高水位接近自然地面的工程，其最高水位最终取值需结合工程场区现状及设计地形条件进行综合分析。
本文以北京某封闭式路堑U型槽结构工程为例，在分析场区水文地质条件的基础上，对涉及抗浮问题的各主要含水层进行远期最高水位预测，并运用FEFLOW模拟软件进行渗流计算，最终确定U型槽结构抗浮设计水位。FEFLOW是由德国WASY水资源规划系统研究所研制开发的地下水模拟软件包，是功能较为齐全的地下水水量及水质计算机模拟软件系统，采用迦辽金有限单元法进行复杂的二维、三维稳定及非稳定流模拟。
1 工程场区概况
1.1 工程概况
拟建封闭式路堑U型槽结构工程呈近南北走向，全长约398m(里程桩号K0+331～K0+729)，标准段宽约32m。结构底板标高为31.03～22.09m(埋深自南北两端向中部逐渐增加，最大埋深10.62m)，底板标高最低点处相应的里程桩号为K0+526。工程场区典型地层及构筑物基础埋置情况见图1。
1.2 工程场区水文地质条件
根据勘察资料，场区地面下最大钻探深度39.10m深度范围内主要量测到4层地下水，各层地下水的类型、赋水地层层位及岩性、水位标高见表1。
场区所在区域潜水为渗入—蒸发型，主要接受降水入渗和管道渗漏等补给，并以蒸发为主要排泄方式;层间水的天然动态类型属渗入—径流型，以地下水侧向径流和越流补给为主，排泄方式主要为侧向径流和越流;承压水天然动态类型属渗入—径流型，补给方式为地下水侧向径流和越流，并以侧向径流、人工开采为主要排泄方式，受人为因素影响，多年来该层地下水水位变化较大。
由图1可见，拟建构筑物基础主要坐落于潜水含水层、第1层层间水含水层及其之间的相对隔水层中，其抗浮设计水位将主要受潜水和第1层层间水水位变化的共同影响。根据渗流理论，场区各层地下水都存在水力联系，而潜水和承压水水位在各种不利因素影响下存在升高的可能，并在渗流作用下间接导致第1层层间水水位升高和结构基底处水压力增大。因此，针对本工程而言，需预测潜水和承压水的远期最高水位，并在此基础上通过渗流分析计算，最终确定本工程的抗浮设计水位。
值得注意的是第1层层间水含水层之上的相对隔水层层厚南北向变化较大，其南端厚度约为1m，向北逐渐增厚至3m左右;第1层层间水含水层之下的相对隔水层层厚及埋深南北向也存在差异。
2 场区地下水远期最高水位预测
2.1 场区潜水远期最高水位预测
场区潜水主要受大气降水入渗补给量的影响。根据场区所在区域地下水水位长期观测数据，历年(自1955年以来)最高地下水水位标高拟合值接近自然地面。
勘察期间钻孔孔口处地面标高为30.73～32.70m，其中场区北部局部区段(里程桩号K0+699～K0+729)地形较低(钻孔孔口处地面标高在30.73～31.53m左右)。根据潜水分布规律相关研究成果，该层地下水在历史高水位期与地形密切相关，地形较高处地下水位也相对较高，历年最高地下水水位埋深一般在地表下0.30～0.50m。考虑场区现状和设计地形条件，综合确定场区潜水远期最高地下水水位建议值见表2。
2.2 场区承压水远期最高水位预测
预测场区承压水含水层水位变化，应充分考虑地下水开采量的减少、官厅水库放水引起的永定河渗漏以及即将实现的“南水北调(中线)工程”等人为活动的影响。通过研究、分析区域性承压水多年水位变化趋势、变化幅度与上述各因素的关系，预测得到工程场区承压水的年平均水位标高将达到21.70m。考虑工程场区承压水水位最大年变幅的50%为4.00m，则工程场区承压水的远期最高水位标高将达到25.70m。
3 场区地下水渗流数值模拟
由于U型槽结构底板除位于潜水含水层内，还主要坐落于第1层层间水含水层及其之上的相对隔水层中。为获得U型槽结构底板不同位置未来最高水位预测条件下最大水压力，需要分析工程场区水文地质条件，概化水文地质概念模型，在此基础上建立地下水数学模型，运用FEFLOW软件建立地下水渗流的数值模拟模型，通过对模型的识别、校正，并将场区远期潜水及承压水最高水位预测值作为边界条件输入模型，即可计算工程场区不同深度、范围内地基土层中的地下水压力分布。
3.1 水文地质概念模型
依据勘察资料揭露的地层以及地下水资料，同时考虑工程设计条件，建立场区一定深度地基土层的三维非均质有限元渗流模型。在垂直方向上，按照地层岩性和赋水特征，将其分为7大层，自上而下分别为潜水含水层、第1相对隔水层、第1层间水含水层、第2相对隔水层、第2层间水含水层、第3相对隔水层和承压水含水层。由于含水层、相对隔水层的岩性、透水性无明显方向性，因此，整个模拟区域可概化为各向同性的非均质三维流含水系统。
根据对工程场区水文地质条件的分析，在对各层地下水水位进行现状分析、预测时，将依据自然、人为因素对地下水的影响程度进行综合取值，将先考虑地下水的侧向径流和越流补给、排泄影响，将模型的侧边界设置为隔水边界，构筑物基础底板概化为Ⅱ类隔水边界，将潜水含水层和承压水含水层概化为Ⅰ类定水头边界[3]。
3.2 地下水渗流数学模型
本工程中应用三维稳定流偏微分方程对渗流问题予以描述，对于三维稳定流，其控制方程为[4,5]:
式中:h为渗流总水头函数;K为土层渗透系数;n为边界外法线的单位矢量;B1为给定水头边界条件;B2为给定流量边界条件。
3.3 地下水渗流数值模拟模型
应用FEFLOW软件建立相应于水文地质概念模型的数值模型，模型的形状以及边界条件等根据建立的水文地质概念模型确定。模拟区域为170×500m2的区域，垂向上划分为7层，包括4个含水层和3个相对隔水层;水平方向上进行三角形剖分，共分为800个有限单元网格。各层顶、底板标高用钻孔实测数据以差值方式赋值。模拟区域网格剖分三维视图见图2。
3.4 参数设置及模型识别
模型中各土层渗透系数均根据工程所在区域邻近工程已有资料确定，其中邻近工程粘性土层渗透系数采用采取原状土样并进行室内渗透试验方法确定，轻亚粘土、中亚砂土层渗透系数采用提水试验方法计算确定，细砂、粉砂层渗透系数采用颗分数据并利用经验公式计算确定，砂、卵石层渗透系数根据抽水试验确定。采用勘察期间水位实测数据对模型进行识别和校正，主要是对粘性土渗透系数取值进行微调，直至各层水位数值模拟结果和实测结果十分接近为止。模型中各土层渗透系数最终取值见表3。
3.5 基底最大水压力预测
将已获得的场区远期潜水最高水位预测值(见表2)及承压水最高水位预测值(27.50m)作为Ⅰ类定水头边界条件输入模型，通过数值模拟，计算在潜水及承压水预测远期最高水位条件下场区地下水渗流场。根据数值模拟计算结果，预测高水位时期场区水压力分布图见图3。
注:表中地层标号见图1所示。
根据数值模拟计算结果可计算获得工程场区不同位置、深度的地下水压力及等效水位值，拟建U型槽结构基底中线预测水压力及等效水位标高见图4。
综合考虑本工程的特点及抗浮设计水位取值对工程安全、经济性的影响等因素，本工程抗浮设计水位可分段取值:里程桩号K0+331～K0+397段的抗浮设计水位标高按31.90m考虑;里程桩号K0+397～K0+496段的抗浮设计水位标高按31.50m考虑;里程桩号K0+496～K0+729段的抗浮设计水位标高按31.10m考虑。
本工程潜水及第1层层间水含水层之间的相对隔水层南北向分布不均，南端厚度较小会直接造成该区段地下水垂向补给相对较大，第1层层间水预测水位升高，同时出现向北端的水平向渗流，最终决定了拟建U型槽结构抗浮设计水位接近于潜水预测最高水位。
4 结论与建议
本文以北京某平改立工程封闭式路堑U型槽结构为例，采用地下水数值模拟软件FEFLOW，在对工程场区进行水文地质条件分析及远期最高水位预测的基础上进行了渗流模拟，计算确定了U型槽结构抗浮设计水位，由此可以得出如下结论建议:
(1)在抗浮设计水位分析中，可在水文地质条件分析的基础上，建立适宜的水文地质概念模型并确定数值模型，采用地下水数值模拟技术来计算抗浮设计水位。
(2)当拟建构筑物跨越区域相对较大时，如工程场区含水层岩性及分布特征、地下水赋存状态存在一定差异，则可以考虑使用FEFLOW等地下水模拟软件建立三维数值模型进行渗流计算，以更准确地刻画工程场区水文地质特征。
(3)当工程场区潜水远期最高水位接近自然地面时，其最高水位与地形密切相关，一般地形较高处地下水位也相对较高，应考虑场区现状及设计地形状况，综合分析确定其最高水位。
(4)针对本工程而言，可以采取结构下加抗拔桩或选择扩大基础加压重层等抗浮设计以避免地下水浮力破坏结构。
摘要：封闭式路堑U型槽结构作为纯地下建筑,抗浮问题非常突出。本文以北京某封闭式路堑U型槽结构工程为例,在对场区进行水文地质条件分析及远期最高水位预测的基础上,建立适用的水文地质概念模型及地下水流定解数学模型,使用FEFLOW软件建立了场区三维数值模拟模型,利用该模型进行抗浮设计水位预测。模型建立过程中考虑了场区各含水层的非均质性及场区潜水最高水位接近自然地面的工程特点。
关键词：U型槽,设防水位,数值模拟,FEFLOW
参考文献
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[4]陈崇希,林敏.地下水动力学[M].武汉:中国地质大学出版社,1996.
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