混凝土樁基礎在水閘地基處理中防滲穩定性作用分析

2021-04-29 01:30:08劉邦俊陳晶晶

江蘇水利 2021年4期

王寧，劉邦俊，張力，楊蕾，陳晶晶

(1.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇南京 210022； 2.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇南京 210029)

滲流是指水流在土體孔隙內流動，當水流壓力較大且流動水流達到一定規模會產生滲流破壞；常見的情況有管涌、流土、接觸沖刷等等[1-3]。如果水閘建筑物地基產生滲漏，若有效水流量較大，會導致出現較大的滲流力而產生滲透破壞，從而影響整個水閘穩定。

混凝土樁基礎抗滲性能好、施工簡單、承載力強，造價較低，是目前復雜地基條件下水閘建設常用的地基處理方式之一[4-6]。

為研究混凝土樁基礎的抗滲作用原理和作用效果，同時為實例工程—江蘇省南京市秦淮河某水閘的抗滲性能提供參考，本文借助midas GTS 軟件進行建模計算分析。

1 實例工程概況及基本條件

1.1 水閘概況

本文選擇江蘇省南京市秦淮河某水閘作為實例研究工程。該水閘位于三汊河口處，距離上游新三汊河大橋550 m；水閘閘門結構型式為弧形鋼閘門；閘室尺寸為：長37.0 m(順水流方向)；總寬97.0 m；分2孔跨過秦淮河。

1.2 地質條件

工程區域地層為第四系全新統人工堆積層(Q4ml)填筑土、雜填土、素填土。

1.3 特征水位條件

根據《秦淮河水文監測分析報告》，工程處特征水位(國家85高程，下同)如下：

最高蓄水位：7.00 m；正常蓄水位：6.50 m；最低蓄水位：5.50 m。

1.4 結構斷面

實例工程兩側閘門呈對稱分布，基礎底下設置4排灌注樁，樁長54 m；外包樁距外部邊界為2.25 m；深齒墻厚6 m。實例工程剖面結構見圖1。

圖1 實例工程剖面結構圖(單位：m)

2 三維有限元模型建立及工況

2.1 三維有限元模型建立

借助Midas GTS進行建模分析，采用穩定性最好的六邊形[7]進行網格劃分，網格間距設為3 m，局部區域(尤其是混凝土樁基部分)進行加密處理。其中，對于弧形的閘門，由于邊界為弧形，采用三角網格進行劃分。

整體模型共274 262個網格節點和11 892個網格。水閘模型建立及網格劃分結果見圖2。

圖2 水閘模型建立及網格劃分

2.2 計算工況

結合以往研究經驗，本文選擇最低蓄水位和最高蓄水位2個模型進行建模分析。其中最低蓄水位上、下游水位分別為5.5 m和0 m；最高蓄水位上、下游水位分別為7.0 m和3.5 m；分別記為工況一和工況二。

3 滲流計算結果

3.1 天然地基工況

3.1.1 工況一

在未對閘基礎進行處理(天然地基)情況下，最低蓄水位工況(工況一)計算結果見圖3，由圖3分析可知：

(1)在工況一下，上、下游水位分別為5.5 m和0.0 m；上下游總水頭差達到5.5 m；經總水頭等值線云圖(圖3(a))可詳細查看，在齒墻處和閘底板處，水頭分別為3.30 m和1.85 m；即這兩處位置與下游的水頭差也分別變為3.30 m和1.85 m。

(2)根據水平滲透坡降等值線云圖(圖3(c))，最大值和最小值分別為0.14和0.00；在三個典型區域(進水口、齒墻、出水口)的水平滲透坡降均遠大于其他區域。出現這一現象的原因是因為進、出水口水頭差大，因此在齒墻位置只能向下方滲透；滲透至墻底時在水平方向沒有阻擋，因此路徑由豎直改為水平，滲透路徑變形。

(3)根據孔隙水壓等值線云圖(圖3(b))；分析可知分布范圍為33.57～-594.8 kN/m2。

圖3 天然地基下工況一

3.1.2 工況二

在未對閘基礎進行處理(天然地基)情況下，最高蓄水位工況(工況二)計算結果見圖4，實例工程基礎滲流路徑模擬示意見圖5。由圖4分析可知：

圖4 天然地基下工況二

圖5 實例工程基礎滲流路徑模擬示意

(1)在工況二下，上、下游水位分別為7.0 m和3.5 m；上下游總水頭差減小為3.5 m；經總水頭等值線云圖(圖4(a))可詳細查看，在齒墻處和閘底板處，水頭分別為5.50 m和5.02 m；即這兩處位置與下游的水頭差分別變為2.00 m和1.52 m；比工況一略有下降。

(2)根據水平滲透坡降等值線云圖(圖4(c))，最大值和最小值分別為0.108和0.00；根據孔隙水壓等值線云圖(圖4(c))，分析可知分布范圍為59.17～-560.45 kN/m2。

(3)與工況一相比，上下游水位差減小了1.50 m，滲透坡降減小了0.302。

3.2 閘基礎下各工況

本節分析在設置混凝土樁基礎后的滲流分析。根據實例工程設計文件，共設置96根灌注樁；灌注樁分4排布設；樁徑均為0.50 m。通過混凝土樁基礎來減小實例工程基礎底部滲流。

3.2.1 工況一

在設置混凝土樁基礎情況下，最低蓄水位工況(工況一)計算結果見圖6，對比天然地基計算結果分析可知：

圖6 閘基礎下工況一計算結果分析

(1)在工況一下，上下游水頭差仍為5.0 m。在齒墻處和閘底板處，水頭分別為3.19 m和1.82 m；在同等水頭差情況下，樁位處的水頭分布略有下降；較大水頭所占比重由天然地基工況下39.6%下降至設置混凝土樁基礎工況的3.11%；滲流能量顯著下降。

(2)根據水平滲透坡降等值線云圖(圖6(c))，最明顯的滲透坡降區域仍在進水口、齒墻、出水口這3處典型位置。但是水平滲透坡降范圍已由天然地基工況下的0.00～0.14下降為0.00～0.125；且取值為0的區域已由天然地基工況下21.2%下降至設置混凝土樁基礎工況的39.66%；取值為0.02以上的區域由天然地基工況下48.6%增大至設置混凝土樁基礎工況的50.2%。

(3)根據孔隙水等值線云圖(圖6(b))可知，孔隙水分布范圍為33.57～-594.78 kN/m2；這與天然地基工況下33.79～-594.8 kN/m2基本一致。

3.2.2 工況二

在設置混凝土樁基礎情況下，最高蓄水位工況(工況二)計算結果見圖7，實例工程灌注樁處理工況下基礎滲流路徑模擬示意見圖8。由圖7對比天然地基計算結果分析可知：