厚覆蓋層高水頭船閘閘室-省水池布置及地基處理方法*

何良德，王 航，黃 挺，莊 寧，耿 卓

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京210098，2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院集團有限公司，山東 濟南 250031)

省水船閘的省水池有水平展開的分散式、豎向疊層的集中式、混合式等3 種布置形式[1]。德國是已建省水船閘最多的國家，單級船閘最大水頭24.67 m，省水池大多采用2～3 級的分散式布置。近10 年來，我國學者研究了在重慶烏江干流、廣西西江支流、山東小清河等地區(qū)帶省水池船閘的布置方案。其中小清河復航工程的水牛韓、金家堰、王道船閘最大水頭5.4 m，現(xiàn)已開工，將成為國內(nèi)首批帶省水池的船閘[2]。

穿黃工程是京杭運河黃河以北段復航的關(guān)鍵工程，目前普遍認為平交方案不可行[3-5]；而在立交方案中，渡槽上跨方案與隧洞下穿方案相比，技術(shù)較為成熟、操作工藝簡單、維修管理更為方便。連接渡槽的北岸通航建筑物水頭差為35.67 m、南岸水頭差為33.57 m，可分別采用帶8 級分散錯層式省水池[6]的船閘。閘室兩側(cè)省水池近高遠低、或近低遠高錯層式布置時，可形成閘室墻背高填式、墻背低填式兩種布置方案。

京杭運河穿黃段位于解山、位山地區(qū)，此處殘山孤立散布、周圍覆蓋層深厚[7]，黃河兩岸地勢低平，與渡槽水位高差達30 m 以上，高水頭船閘省水池的高填方土重力、閘室自重力和水重力將產(chǎn)生較大沉降，同時省水池填方將對閘室產(chǎn)生墻背土壓力、墻背下曳摩擦力[8]和底板邊載作用，從而影響閘室結(jié)構(gòu)內(nèi)力。本文利用ABAQUS 有限元軟件建立數(shù)值模型，在天然地基條件下，研究兩種布置方案的地基沉降分布特征和閘室結(jié)構(gòu)受力特性，探討墻背填土對底板的作用機理，提出閘室、墻背填土、基坑外填土的地基處理方案，可為類似工程提供參考和借鑒。

1 分散錯層式閘池布置方案

渡槽方案是在黃河上方建造通航渡槽，兩端利用通航建筑物連接京杭運河。以水頭差最大的北岸船閘為例，設(shè)計水頭為35.67 m，京杭運河最高通航水位為39.57 m、最低通航水位為37.20 m、渡槽水位為72.87 m。

渡槽方案的船閘設(shè)計水頭差大，閘室基本尺度為34 m×280 m×5 m，一次過閘所需的耗水量極大，而渡槽水位又要求維持不變，省水率需要盡可能高，因而設(shè)計建造8 級分散式省水池以減少船閘用水量。省水池水域面積與閘室面積相同，各級省水池最小水深1.0 m、擋墻富余高度1.0 m。

船閘采用四區(qū)段等慣性分散輸水主系統(tǒng)，兩側(cè)8 級省水池輸水廊道分別與主系統(tǒng)的閘墻長廊道連接。閘室采用U 形整體式結(jié)構(gòu)，底板總寬64.0 m、厚度13.0 m，閘墻頂寬4.0 m、底寬15.0 m、高度42.8 m，底板頂高程32.2 m、底高程19.2 m，閘墻頂高程75.0 m。場地地面高程約40.0 m，開挖深度20.8 m 的基坑后施工閘室結(jié)構(gòu)。

為了改善閘室結(jié)構(gòu)受力條件，8 級分散式省水池交錯布置在閘室的兩側(cè)，近似對稱分布，一側(cè)布置第1、第3、第5、第7 級省水池，另一側(cè)布置第2、第4、第6、第8 級省水池。圖1 為兩種省水池布置方案拼接圖，左側(cè)為墻背高填式布置方案，右側(cè)為墻背低填式布置方案(后文拼接圖排版方式相同)。

圖1 墻背高填式、低填式拼接(單位:m)

2 有限元模型的建立

2.1 幾何模型

由于船閘閘室結(jié)構(gòu)的橫斷面形狀和大小沿閘室長度方向保持不變，且外荷載與船閘縱軸線垂直，故可按平面應(yīng)變問題分析。利用ABAQUS 分別對兩種布置方案建立平面有限元模型，整個模型包括閘室、省水池、填土和地基4 個部分，考慮到邊界效應(yīng)對分析結(jié)果的影響，地基土體兩側(cè)分別從省水池填土坡角向外延伸150 m，地基覆蓋層厚度51.5 m、模型的地基深度120 m?；娱_挖坡度1∶3、填土坡度1∶2，并在閘墻兩邊各預(yù)留3 m寬的馬道以便施工。

模型地基底部設(shè)置全約束，左右邊界約束水平位移。閘室、省水池、填土和地基均為均質(zhì)實體單元，通過設(shè)置接觸面模擬結(jié)構(gòu)與土的相互作用，接觸面摩擦系數(shù)取0.3。

圖2 兩種布置方案有限元模型拼接

2.2 材料模型

閘室、省水池的混凝土結(jié)構(gòu)和地基的巖層采用線彈性模型。混凝土設(shè)計強度C25，密度ρ＝2 450 kg∕m3，彈性模量E＝28 GPa，泊松比μ＝0.167。

填土采用D-P 模型、地基覆蓋層采用劍橋模型，水下采用浮密度、水上則為濕密度。填土濕密度ρ＝1.97 t∕m3、浮密度ρ′＝1.06 t∕m3，內(nèi)摩擦角φ＝28°，黏聚力C＝17.3 kPa，變形模量E＝22.29 MPa，泊松比υ＝0.33。

劍橋模型有M、β、K、a0、λ、κ、μ、e0、p0等參數(shù)[9]。其中:在p-q平面上臨界狀態(tài)線斜率M簡稱為應(yīng)力比，根據(jù)內(nèi)摩擦角求得；β、K分別為屈服面在p-q平面、π 平面的形狀控制參數(shù)，β＝1，K＝0.8；a0為初始屈服面與臨界狀態(tài)線交點的p值；λ、κ分別為等向壓縮、回彈時υ-lnp平面內(nèi)曲線斜率；μ、e0、p0分別為泊松比、初始孔隙比、前期固結(jié)壓力。

工程場地地層可劃分10 層，地基土主要計算參數(shù)見表1，κ＝λ∕10，粉土層水上濕密度1.86 t∕m3。

表1 各層地基土主要計算參數(shù)

2.3 單元追蹤技術(shù)

在進行數(shù)值模擬過程中，發(fā)現(xiàn)填土激活時與閘墻背面接觸有初始脫開的現(xiàn)象，導致數(shù)值模擬時閘墻所受的土壓力小于實際所受土壓力。在實際施工過程中，填土分層填筑時，是與閘墻背面緊密接觸的，為此特采用一種具備“追蹤功能”的填土備份單元。備份單元與被追蹤單元形狀完全一致，共享節(jié)點，備份單元可賦予為無密度、彈性模量極小的“空氣單元”，參與其他已激活單元的整體計算時，可自動調(diào)整備份填土與閘墻接觸間隙，使得兩者保持緊密接觸，而不影響原有結(jié)構(gòu)受力特性。這樣實際填土激活時，填土與閘墻無初始脫開的現(xiàn)象，模擬的土壓力更符合實際情況。

2.4 計算工況與計算步

計算工況包括施工期、完建期、使用期(高水期、低水期和檢修期)等工況。施工前地下水位39.2 m，施工期及完建期地下水位線為基坑開挖線，使用期地下水位上升恢復為39.2 m 水平線。施工期、完建期、檢修期閘室、省水池無水；高水期、低水期閘室水位分別為72.87、37.20 m，省水池為相應(yīng)低水位、高水位。

為更好地模擬施工過程，分析各個階段對閘室沉降、底板內(nèi)力的影響，計算步分為:首先地應(yīng)力平衡，(1)基坑開挖，(2)底板澆筑，(3)閘墻澆筑，(4)回填至原地面，(5)～(8)分別為第1、2 級，第3、4 級，第5、6 級，第7、8 級省水池填土和擋墻澆筑，其中(8)為完建期、(9)為高水期、(10)為低水期、(11)為檢修期。

3 閘池沉降與受力特性

3.1 地面線沉降

為觀察地基沉降的分布特征，沿著開挖后的地面線整理不同階段地基的沉降分布曲線，見圖3。

圖3 地基沉降分布曲線拼接

兩種方案在填土前沉降完全相同，沉降主要發(fā)生在基坑內(nèi)，開挖時坑底回彈128 mm，約占坑深的0.68%，計算值與經(jīng)驗值接近[10]，閘室底板、閘墻澆筑分別產(chǎn)生163、350 mm 沉降增量，基坑經(jīng)歷卸荷回彈再加載壓縮后，坑底沉降385 mm。

隨著省水池填土和擋墻施工，所在地基出現(xiàn)明顯沉降盆，并對坑底沉降產(chǎn)生不同程度的影響。墻背低填式完建時坑底沉降增量為54 mm、最大沉降1 604 mm，發(fā)生在最高的第7、8 級省水池下，距離閘室軸線205 m；墻背高填式坑底沉降增量為226 mm，由于基坑回填的置換作用、填土通過墻背摩擦力的擴散作用，最大沉降為1 450 mm，位置偏離至第5、6 級省水池下，產(chǎn)生在基坑邊頂外側(cè)處，距離閘室軸線98 m。相對而言使用期地基沉降變化不大，由于低水期省水池處于高水位，地基沉降出現(xiàn)最大值。

3.2 閘室沉降

以基坑開挖后計算結(jié)構(gòu)沉降，閘室軸線處底板沉降隨施工計算步變化曲線見圖4。閘室結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的沉降513 mm，墻背低填式在基坑回填(施工步(4))、第1、2 級省水池填土時，對底板沉降有一定影響，后續(xù)各級省水池填土的影響極小，完建時(施工步(8))沉降567 mm，其中施工步(4)～(8)填土產(chǎn)生的沉降占9.5%。墻背高填式完建時沉降733 mm；填土產(chǎn)生沉降225 mm，占30.8%。

圖4 底板沉降隨施工計算步變化曲線

兩種方案在使用期沉降變化規(guī)律一致，受浮托力作用，低水期和檢修期出現(xiàn)向上“浮起” 增量-22、-30 mm；高水期閘室內(nèi)水重力大于浮托力，沉降增量12 mm。閘室在高水期沉降最大，墻背高填式、低填式分別為745、579 mm。

3.3 底板彎矩

兩種方案的底板彎矩分布基本一致，從底板邊緣至跨中彎矩絕對值逐漸增大。底板自重作用下，底板彎矩較?。婚l墻施工后，底板兩端受力，產(chǎn)生明顯的負彎矩，呈上部受拉、下部受壓的狀態(tài)。省水池填土使得底板負彎矩進一步增大。高水期閘室內(nèi)水壓力使得底板負彎矩出現(xiàn)最大值，檢修期、低水期彎矩略大于完建期?？傮w來看，兩種方案的彎矩差異并不顯著。底板彎矩分布曲線拼接見圖5。

圖5 底板彎矩分布曲線拼接

4 墻背填土作用機理

4.1 填土的3 種作用

填土對底板沉降和受力的影響主要是由填土與閘墻之間的土壓力、下曳力以及填土自重(閘室結(jié)構(gòu)外邊載)所引起的。

以墻背高填式為例，填土與墻背間存在接觸面應(yīng)力，土壓力、下曳力見表2，土壓力接近靜止土壓力分布，對底板產(chǎn)生87.4～98.5 MN·m 的集中力偶作用。

表2 墻背土壓力、下曳力

在原模型的基礎(chǔ)上，新增填土與墻背之間摩擦系數(shù)f＝0、填土臨墻背面設(shè)置法向約束的兩種有限元模型計算，將計算結(jié)果與原模型完建期結(jié)果進行對比，可分離出土壓力、下曳力和邊載等因素各自產(chǎn)生的底板沉降、彎矩。

4.2 對閘室沉降的影響

土壓力產(chǎn)生的底板沉降跨中大、兩端小，跨中彎矩為89.6 MN·m。填土沉降大于閘墻沉降，墻背摩擦力形成的下曳力引起底板沉降兩端大、跨中小，跨中負彎矩-44.5 MN·m。不直接作用在閘墻的填土自重引起閘墻外側(cè)地基沉降，進而影響閘室內(nèi)力，這種邊載引起的底板端部沉降125 mm，跨中略小，底板端部與地基有脫開趨勢，跨中負彎矩-42.3 MN·m。填土對底板沉降影響見圖6。

圖6 填土對底板沉降影響

邊載對底板沉降的影響最為明顯，占47.6%～54.0%。從底板跨中至邊緣處，土壓力的影響為11.6%～22.5%，逐漸減??；下曳力的影響為26.9%～34.4%，逐漸變大。

4.3 對底板彎矩的影響

填土對閘墻的土壓力在底板上產(chǎn)生正彎矩，使底板呈上部受壓、下部受拉狀態(tài)，而填土的下曳力、邊載對底板產(chǎn)生負彎矩。從絕對值來看，土壓力的彎矩約為下曳力、邊載彎矩的2 倍，但正負彎矩相互抵消，導致填土的實際合彎矩較小。這也是導致兩種方案底板彎矩差異并不顯著的重要原因。填土對底板彎矩的影響見圖7。

圖7 填土對底板彎矩的影響

5 地基處理方案

5.1 閘室地基處理

穿黃段覆蓋層深厚，天然地基條件下閘室結(jié)構(gòu)自重使得底板產(chǎn)生較大沉降和負彎矩，且后期始終以負彎矩控制。

采用“預(yù)留寬縫，后期封合” 的施工方法，澆筑時在中間底板與閘墻間預(yù)留寬縫，在地基承載力允許的條件下，閘墻一次澆筑到頂，在滿足橫向穩(wěn)定性條件下，墻后填土到一定高度后再封合寬縫[11]。寬縫封合前，閘墻與底板分離，可以減小閘墻自重、填土下曳力和邊載對中底板產(chǎn)生的負彎矩。寬縫封合時，地基沉降固結(jié)已大致完成，合縫之后閘室轉(zhuǎn)換為整體式結(jié)構(gòu)，承受后期施工的閘墻、填土以及使用期荷載作用。

為了提高地基承載力，減小閘室總沉降和閘墻、底板差異沉降，閘室下需要進行地基處理。兩側(cè)閘墻地基反力大，且合縫前承受填土水平力，采用鉆孔灌注樁復合樁基[12]或管樁復合樁基[13]。如果采用管樁復合樁基，應(yīng)密切注意在水平力作用下樁身的抗彎抗剪能力；中底板地基反力小，且水平力自身平衡，可采用管樁復合樁基、管樁或CFG(水泥粉煤灰碎石)樁復合地基。在工序安排上，可先施工閘墻、稍后施工中底板，更有利于閘墻、底板長廊道在高程上的對接。

5.2 墻背填土地基處理

墻背高填土的沉降占比高達30.8%，且高填土下曳力、邊載產(chǎn)生的負彎矩很大，一部分抵消了土壓力產(chǎn)生的正彎矩?？拷鼔Ρ惩鈧?cè)一定范圍內(nèi)進行水泥攪拌樁、CFG 樁或管樁復合地基處理，可減小填土的不利影響。采用管樁復合地基時，宜在樁頂設(shè)置樁帽[14]充分發(fā)揮管樁承載力、增大管樁間距減小管樁用量。由于相同邊載離開墻背越遠影響越小，且基坑范圍內(nèi)離開墻背越遠填土荷載越小，復合地基加固體橫向間距應(yīng)遵循近密遠疏的布置原則。

墻背高填土方案閘墻的灌注樁外徑1.0 m、樁長32.2 m，縱橫向間距2.5 m×2.4 m～2.5 m×2.7 m，樁頂與閘墻結(jié)構(gòu)剛接。中底板下管樁外徑0.6 m、樁長30.3 m，間距2.5 m×2.4 m，樁頂設(shè)有0.4 m碎石墊層。填土區(qū)管樁外徑0.6 m、樁長30.0 m，間距2.5 m×2.2 m～2.5 m×2.8 m，樁帽1.6 m×1.6 m、厚度0.4 m。初步提出的剛性樁組合見圖8。

圖8 剛性樁組合處理方案(單位:m)

5.3 基坑外地基處理

基坑外填土沉降雖然較大，但對閘室影響較小，因此可僅采用排水固結(jié)法進行地基處理，在分層填筑時自動實現(xiàn)沉降補方以消除部分沉降的影響。填土完成后，經(jīng)過一定的預(yù)壓期，待沉降穩(wěn)定后再施工省水池擋墻及其護底。

6 結(jié)論

1)在天然深厚覆蓋層地基條件下，京杭運河穿黃工程省水船閘的墻背高填式、墻背低填式方案最大地面沉降均發(fā)生在省水池下，分別高達1.45、1.60 m。高填式閘室沉降745 mm，大于低填式的沉降579 mm，其中閘室自重的沉降均為513 mm，填土的沉降分別為225、54 mm，使用期沉降變化均較小。

2)兩種布置方案的閘池沉降和受力特性差異主要來自于墻背填土作用不同。填土邊載產(chǎn)生的閘室沉降依次大于下曳力、土壓力產(chǎn)生的沉降，土壓力產(chǎn)生閘室底板正彎矩，而下曳力、邊載產(chǎn)生負彎矩，正負彎矩相互抵消，導致填土的合彎矩較小。這也是導致兩種方案底板彎矩差異不大，且始終由負彎矩控制的重要原因。

3)基于閘池沉降與受力特性以及填土作用機理分析，考慮“預(yù)留寬縫，后期封合” 施工方法，初步提出的閘室、墻背填土的剛性樁組合處理方法可減小閘室沉降、改善閘室受力條件。基坑外采用排水固結(jié)預(yù)壓法處理，有利于縮短工期、降低造價。穿黃工程省水船閘的分散多級錯層式省水池布置方案以及地基處理方案值得進一步深化研究。