王 寧， 劉邦俊， 張 力， 楊 蕾， 陳晶晶

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)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(nèi)流動，當(dāng)水流壓力較大且流動水流達(dá)到一定規(guī)模會產(chǎn)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(chǎn)生滲漏，若有效水流量較大，會導(dǎo)致出現(xiàn)較大的滲流力而產(chǎn)生滲透破壞，從而影響整個水閘穩(wěn)定。

混凝土樁基礎(chǔ)抗?jié)B性能好、施工簡單、承載力強，造價較低，是目前復(fù)雜地基條件下水閘建設(shè)常用的地基處理方式之一[4-6]。

為研究混凝土樁基礎(chǔ)的抗?jié)B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?jié)B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(jié)構(gòu)型式為弧形鋼閘門；閘室尺寸為：長37.0 m(順?biāo)鞣较?；總寬97.0 m；分2孔跨過秦淮河。

1.2 地質(zhì)條件

工程區(qū)域地層為第四系全新統(tǒng)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(jù)《秦淮河水文監(jiān)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(jié)構(gòu)斷面

實例工程兩側(cè)閘門呈對稱分布，基礎(chǔ)底下設(shè)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(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 實例工程剖面結(jié)構(gòu)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(wěn)定性最好的六邊形[7]進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格間距設(shè)為3 m，局部區(qū)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(wǎng)格進行劃分。

整體模型共274 262個網(wǎng)格節(jié)點和11 892個網(wǎng)格。水閘模型建立及網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖2。

圖2 水閘模型建立及網(wǎng)格劃分

2.2 計算工況

結(jié)合以往研究經(jīng)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(jié)果

3.1 天然地基工況

3.1.1 工況一

在未對閘基礎(chǔ)進行處理(天然地基)情況下，最低蓄水位工況(工況一)計算結(jié)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(dá)到5.5 m；經(jīng)總水頭等值線云圖(圖3(a))可詳細(xì)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?yōu)?.30 m和1.85 m。

(2)根據(jù)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(qū)域(進水口、齒墻、出水口)的水平滲透坡降均遠(yuǎn)大于其他區(qū)域。出現(xiàn)這一現(xiàn)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(jù)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(chǔ)進行處理(天然地基)情況下，最高蓄水位工況(工況二)計算結(jié)果見圖4，實例工程基礎(chǔ)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(chǔ)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(jīng)總水頭等值線云圖(圖4(a))可詳細(xì)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?yōu)?.00 m和1.52 m；比工況一略有下降。

(2)根據(jù)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(jù)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(chǔ)下各工況

本節(jié)分析在設(shè)置混凝土樁基礎(chǔ)后的滲流分析。根據(jù)實例工程設(shè)計文件，共設(shè)置96根灌注樁；灌注樁分4排布設(shè)；樁徑均為0.50 m。通過混凝土樁基礎(chǔ)來減小實例工程基礎(chǔ)底部滲流。

3.2.1 工況一

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

圖6 閘基礎(chǔ)下工況一計算結(jié)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(shè)置混凝土樁基礎(chǔ)工況的3.11%；滲流能量顯著下降。

(2)根據(jù)水平滲透坡降等值線云圖(圖6(c))，最明顯的滲透坡降區(qū)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(qū)域已由天然地基工況下21.2%下降至設(shè)置混凝土樁基礎(chǔ)工況的39.66%；取值為0.02以上的區(qū)域由天然地基工況下48.6%增大至設(shè)置混凝土樁基礎(chǔ)工況的50.2%。

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

圖7 閘基礎(chǔ)地基下工況二計算結(jié)果分析

(1)在設(shè)置混凝土樁基礎(chǔ)工況二下，齒墻底部水頭值為5.54 m；根據(jù)云圖網(wǎng)格節(jié)點數(shù)據(jù)進一步統(tǒng)計可知，在齒墻以上較大水頭所占的比值約5.17%，遠(yuǎn)小于天然地基工況下的41.88%。

(2)根據(jù)水平滲透坡降等值線云圖(圖7(c))可知，水平滲透坡降范圍進一步下降至0.00～0.092；較天然地基工況下的0.108有一定幅度下降。

(3)根據(jù)(圖7(b))可知，孔隙水分布范圍為55.83～-560.45 kN/m2；這與天然地基工況下59.17～-560.45 kN/m2基本一致。

圖8 實例工程灌注樁處理工況下基礎(chǔ)滲流路徑模擬示意

5 結(jié) 論

本文以江蘇省南京市秦淮河某水閘作為實例研究工程，借助邁達(dá)斯三維模擬計算軟件，采用2組特征工況，對比天然地基和灌注樁處理地基下實例工程的滲透規(guī)律分布情況，主要研究成果如下：

(1)在各工況下，滲透坡降與總水頭成正比；實例工程最大滲透坡出現(xiàn)在低水位(上下游水頭差達(dá)到5.5 m)時；最大滲透坡降達(dá)到0.14。

(2)在設(shè)置灌注樁基礎(chǔ)以后，水頭分布發(fā)生了較大變化，水頭分布由天然地基狀態(tài)下均勻分布變成兩頭分布較小，中間較大的情況。同時，由于灌注樁基礎(chǔ)的防滲作用和中間段對滲流的干擾，大幅降低了最大水頭的占比。

(3)根據(jù)以往實例工程經(jīng)驗[8-11]，結(jié)合本文數(shù)模計算成果可知，在設(shè)置灌注樁基礎(chǔ)后，可以有效減少蓄水階段的滲透量；減小滲透壓力，有利于實例構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全。