水泥土攪拌樁復合地基水閘閘室結構分析

施亞運

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司, 湖北武漢430010）

0 引言

目前，對大中型通用水閘整體結構設計主要是傳統的計算和處理方法，即獨立計算水閘閘室的底板、閘墩、橋墩、交通橋等構件，沒有充分考慮部件之間的互相影響，且難以清楚反映水閘閘室整體結構的真實受力、變形等情況。大型水閘結構的合理計算和處理方法是有限元法，它不僅可以綜合處理大型水閘閘室各構件之間的相互作用，還可以處理閘室與主體基礎之間的相互作用，準確、直接地反映大型水閘整體結構的真實情況[1，2]。洪湖東分塊蓄洪工程項目計算研究時，主要考慮不同閘室各構件之間的相互作用，將不同閘室中閘室底板、閘墩、閘門、排架、交通工作橋和地基作為一個整體，利用有限元軟件建模進行整體計算分析。建立水閘結構的有限元計算模型，分析不同工況下水閘整個結構及地基的應力和應變的分布及變化，為水閘主體結構的設計計算提供了堅實、科學的理論依據，并對優化結構設計提供支撐。

1 工程概況

洪湖東分塊蓄洪工程主要工程項目包括新建腰口隔堤，長25.949 km；新建套口進洪閘，設計進洪流量8 000 m3/s；新建補元退洪閘，設計退洪流量2 000 m3/s；還建腰口泵站和高潭口二站；新建內荊河和南套溝節制閘，設計流量分別為460 m3/s和80 m3/s；新建新灘口泵站保護工程，修建堤防1.2 km，分洪節制閘1 座，設計流量256 m3/s；東荊河堤加固工程，長42.236 km；洪湖主隔堤加固工程，長12.509 km；水系恢復工程需要新挖和疏挖渠道102.67 km，新建和改造小型排灌泵站17 座，新建和改建小型涵閘31 座等；長江干堤內護坡73.19 km。

套口進洪閘的主要任務是分洪、擋洪。設計分洪流量為8 000 m3/s，閘前分洪水位和堤防設計水位為30.54 m。工程進洪閘為Ⅰ等工程，規模為大（Ⅰ）型，主要建筑物閘室、岸墻為1 級建筑物，兩岸連接堤段為長江干堤的一部分，為2 級建筑物，次要建筑物上下游消能設施、兩岸翼墻等為3級建筑物，其它臨時建筑物為4 級建筑物。根據《中國地震動參數區劃圖》[3]，工程區的地震基本烈度為Ⅵ度。按《水工建筑物抗震設計標準》[4]中的規定，該工程不進行抗震計算，但采取適當的抗震措施。

閘室為整體開敞式結構，兩孔一聯，孔口凈寬12.00 m，共設44 孔。閘底板高程為25.80 m，閘頂高程33.50 m。閘底板順流向長22.00 m，厚2.00 m，前后端均設有齒槽，槽深1.00 m。中墩厚1.50 m，縫墩厚1.00 m。閘頂設交通橋，布置在閘門上游側，橋面寬8.00 m，按汽-20 荷載標準設計。啟閉機平臺高程40.70 m，啟閉機房凈高3.50 m。

圖1 計算模型

2 計算模型

該工程項目計算模型在搭建時選擇笛卡爾直角坐標系，定義X軸方向為沿水流方向，指向下游為正；定義Y軸方向為垂直水流方向，指向左岸為正（平面坐標系選擇大壩坐標系）；定義Z軸方向為豎直方向，指向向上為正（高程為1956年黃海高程）。

工程項目計算在搭建空間三維有限元網格模型時，地基模型尺寸大小選取對計算結果和計算需要的資源具有一定影響，為了使模擬結果接近實際情況，同時又不占用較大的計算資源，此次模型地基尺寸選取范圍是整個閘室上下游兩側各延長30 m，地基深度取30 m。有限元模型網格剖分主要使用結構化網格剖分與掃掠網格剖分，采用C3D8R 六面體減縮線性積分單元，能夠較精確地反應閘室與地基的位移變化。

此次工程項目計算分析整個水閘閘室結構，搭建啟閉機房、閘室底板、閘墩、交通橋和局部閘址地基之間的整體三維有限元網格模型。根據工程地基地質條件，閘址區閘基土自上而下分3 層，即粉質壤土層、粉細砂夾粉質壤土和下部的粉細砂層，定義局部閘址地基材料本構關系采用莫爾-庫倫彈塑性模型，而樁相對于土體剛度大、變形小，因此樁體材料本構關系運用廣義Hooke 定律，采用線彈性材料進行模擬。為方便建模，將直徑60 cm 圓形樁等效為53 cm×53 cm 方形樁。閘室的混凝土材料本構關系運用廣義Hooke 定律，采用線彈性材料進行模擬。并在閘址地基與閘室底板底面之間設置一對硬接觸對，選擇底板底面作為主控接觸面，閘址地基頂面作為從屬接觸面，取硬接觸對間的摩擦系數f=0.3。同時在有限元計算模型中對閘址基礎底面施加全部約束，各個側面施加水平法向鏈桿約束。計算模型如圖1。

3 主要計算參數

該工程水閘閘室底板采用C20（三）混凝土，閘墩采用C20（二）混凝土，啟閉機房樓板采用C30（二）混凝土。按SL 191-2016《水工混凝土結構設計規范》[5]中的規定，閘室物理力學指標見表1。閘址區閘基土自上而下分3 層，即粉質壤土層厚約2.4 m、粉細砂夾粉質壤土層厚約15.0 m、下部粉細砂層厚約12.0 m。閘底板座落在粉質壤土層上。閘址區閘基物理力學指標見表2。

表1 閘室物理力學參數

表2 閘址區閘基物理力學指標

4 荷載及荷載組合

4.1 設計荷載

1）建筑物自重。鋼筋混凝土容重取G=ρVg，ρ=2 500 kg/m3。

2）靜水壓力。作用于結構物表面的靜水壓力強度P=γh，γ=10 kN/m3。

3）土壓力。按靜止土壓力考慮。

4）揚壓力。按滲徑系數法計算揚壓力，水位按以下方式確定：

設計擋洪工況，上游30.54 m，下游無水；校核擋洪工況，上游31.36 m，下游無水；分洪工況，外江30.54 m，內湖低于29.00 m，進洪流量為8 000 m3/s；施工工況，上游無水，下游無水。

5）人行荷載。平臺板上按人行荷載5 kN/m2考慮。

6）車道荷載。交通橋上按均布荷載10.5 kN/m2考慮。

7）其它依照規范取值。

4.2 荷載組合

泄水閘計算荷載組合見表3。

表3 泄水閘計算荷載組合表

5 計算結果及分析

5.1 應變分析

天然地基情況下水閘整體式底板的最大沉降量可以達到20～30 cm，根據SL 265-2016《水閘設計規范》[6]，天然土質地基上水閘地基最大沉降量不宜超過15 cm，相鄰部位的最大沉降差不宜超過5 cm。根據閘室地基沉降和地基地質情況，雖然地基應力小于地基允許承載力，但地基沉降量大于水閘規范要求，因此需要進行地基處理，減小閘基沉降量。土基上常用的地基處理方法有墊層法、強力夯實法、振動水沖法、樁基礎、沉井基礎、深層水泥攪拌樁和高壓噴射法等[7，8]。

閘址地基為粉質壤土，厚度較小且分布不均勻，經綜合考慮，可選擇深層水泥攪拌樁、鉆孔灌注樁和預應力管樁3 種方案比較。鉆孔灌注樁和預應力管樁方案，由于樁體剛度遠大于樁間土剛度，樁體和樁間土變形不協調，導致絕大部分上部荷載由樁體承擔，設計中一般不考慮樁間土承擔荷載，因此底板可能與建基面之間脫空，容易形成滲漏通道；而水泥攪拌樁方案，處理后的地基為復合地基，樁與樁間土變形協調，不存在脫空問題，處理后的復合地基既能滿足地基沉降要求，又能進一步提高底板與地基間的摩擦力。根據以往工程經驗，3 種方案中，地基處理造價水泥攪拌樁最低、鉆孔灌注樁最高，預應力混凝土管樁居中。經綜合考慮，地基處理推薦采用水泥攪拌樁法。

水泥攪拌樁直徑初步采用60 cm，水泥摻量為15%，樁間套接15 cm。初步選取攪拌樁長為10 m，攪拌樁采取格柵式布置，格柵間距取7.00 m 左右。水閘閘基攪拌樁分塊與上部兩孔一聯結構相對應，分塊尺寸為22.0 m×27.5 m（順水流向×橫流向），每個分塊內順水流向布置4排，排間距7.00 m；橫流向布置5 排，其中在閘墩對應位置各布置1 排，底板下布置2 排，排間距分別為6.25 m 和7.00 m，每個格柵中間還布置4 根攪拌樁，以增加地基的均勻性，每個閘室總共布置攪拌樁540 根。上述格柵式布置后，泄水閘攪拌樁置換率約20%。采用水泥攪拌樁處理后，再次進行模擬計算，總沉降量約為5.5 cm，滿足水閘對沉降的控制要求。Z方向應變如圖2。

圖2 設計工況Z 方向應變圖

5.2 應力分析

閘室基底應力小于經過修正的地基允許承載力，應力不均勻系數亦滿足規范要求。但閘底板頂部和齒墻等局部拉應力較大，因此需加強底板配筋，增加底板的剛度。利用已計算結果配置適當鋼筋，結構強度和裂縫均可滿足要求，Y方向應力如圖3。閘室基底應力計算成果見表4。

圖3 設計工況Y 方向應力圖

6 結論

此次研究利用三維有限元數值模擬的方法對洪湖東分塊蓄洪工程套口進洪閘進行模擬計算，得出：

表4 閘室基底應力計算成果表

1）從應變計算結果分析，水閘閘室的位移主要表現為沉降位移，雖然地基應力小于地基允許承載力，但地基沉降量大于水閘規范要求，因此需要進行地基處理。采用水泥攪拌樁處理后再次進行模擬計算，總沉降量約為5.5 cm，滿足水閘對沉降的控制要求。

2）從應力計算結果分析，在各種工況下，閘室的局部存在應力集中現象，閘底板頂部、底板與閘墩結合部位和齒墻等局部拉應力較大，因此需加強底板配筋，增加底板的剛度。

3）目前此項目閘室結構已施工完成且狀況良好,底板及閘墩等部位表面基本無裂縫，沉降量也滿足規范要求。