◇重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 張 林

水閘起著攔水阻流作用，在閘室上下游有明顯的滲流差。本文以江蘇省蘇州常熟市虞山水閘為實(shí)例工程，研究混凝土樁基對(duì)防滲阻水的可行性以及作用效果。本文借助三維有限元軟件，分析了天然地基和混凝土灌注樁處理地基下實(shí)例工程的滲透場(chǎng)分布狀況，研究結(jié)果顯示，混凝土灌注樁能有效減小工程區(qū)域最大水頭分布，同時(shí)還能保證水閘自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，作用明顯。

1 工程基本介紹

1.1 基本介紹

實(shí)例工程為江蘇省蘇州常熟市虞山水閘，該閘建于2004年，位于申張線與白鶴滃交匯口下游850 m，黃埔路跨申張線橋梁上游1220 m處。水閘閘門(mén)采用鋼質(zhì)弧形結(jié)構(gòu)，閘室尺度37×100 m（閘室長(zhǎng)度×閘室寬度）?？紤]到秦淮河河面較寬，為減小對(duì)河道水流形態(tài)的影響，實(shí)例工程采用2孔閘室跨過(guò)秦淮河。

1.2 特征水位條件

虞山水閘位于申張線（袁家橋～虞山閘段），根據(jù)蘇州河道技術(shù)等級(jí)表，換算成吳淞高程后，特征水位如下：

1.3 立面設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)方案為設(shè)置兩排對(duì)稱(chēng)閘門(mén)，同時(shí)在每個(gè)閘門(mén)下方各設(shè)置兩排樁基，樁長(zhǎng)均為54 m，內(nèi)外部的樁間距為26.25 m。

2 數(shù)模計(jì)算分析

2.1 數(shù)模設(shè)計(jì)與建立

采用邁達(dá)斯進(jìn)行建模分析，模型示意圖見(jiàn)圖1（1），為保證計(jì)算結(jié)果流暢與收斂，模型網(wǎng)格劃分采用正方體網(wǎng)格；模型下部樁基效果圖見(jiàn)圖1（2）。

圖1 數(shù)學(xué)模型建立及網(wǎng)格劃分

2.2 計(jì)算工況

計(jì)算工況選擇見(jiàn)本文表1。

表1 實(shí)例工程特征水位

3 滲流效果對(duì)比

采用原設(shè)計(jì)方案與添加混凝土樁基后的兩組模型進(jìn)行效果對(duì)比。

3.1 原設(shè)計(jì)方案下計(jì)算結(jié)構(gòu)分析

（1）最低蓄水位。

在最低蓄水位工況下，整體滲流計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖2，分析圖2。①在最低蓄水位工況下，實(shí)例工程在原設(shè)計(jì)方案下總水頭差為5.5 m；其余關(guān)鍵部分的最大水頭差計(jì)算結(jié)果如下：齒墻處最大水頭差為3.15 m；水閘底板處最大水頭差也達(dá)到1.83 m。②總體來(lái)看，進(jìn)水口的平均水頭滲透坡降為0.142；出水口的平均水頭滲透坡降為0.147；均遠(yuǎn)大于其他區(qū)域；齒墻處的的平均水頭滲透坡降略小于進(jìn)水口與出水口，達(dá)到0.094；但也遠(yuǎn)大于其他剩余區(qū)域的平均值（0.046）。③在該工況下，工程區(qū)域內(nèi)的孔隙水壓力的分布范圍為38.64～-586.12 kN/m2。

圖2 工況一滲透壓力計(jì)算結(jié)果（天然地基）

（2）最高蓄水位。①總體來(lái)看，原方案下，最低蓄水位與最高蓄水位的滲透水壓分布規(guī)律基本一致。②在最高蓄水位工況下，實(shí)例工程在原設(shè)計(jì)方案下總水頭差為3.5 m，其余關(guān)鍵部分的最大水頭差計(jì)算結(jié)果如下：齒墻處最大水頭差為2.05 m；水閘底板處最大水頭差為1.51 m。③進(jìn)水口的平均水頭滲透坡降為0.05；出水口的平均水頭滲透坡降為0.112；齒墻處的的平均水頭滲透坡降略小于進(jìn)水口與出水口，達(dá)到0.075，但也遠(yuǎn)大于其他剩余區(qū)域的平均值（0.031）。④在該工況下，工程區(qū)域內(nèi)的孔隙水壓力的分布范圍為62.35～-558.14 kN/m2。

圖3 工況二滲透壓力計(jì)算結(jié)果（天然地基）

3.2 增設(shè)混凝土灌注樁效果分析

為探討混凝土樁基礎(chǔ)對(duì)實(shí)例工程防滲結(jié)果影響，本工程在實(shí)例工程基礎(chǔ)上補(bǔ)充增設(shè)了共96根混凝土灌注樁；灌注樁在原樁基基礎(chǔ)布設(shè)上分4排進(jìn)行補(bǔ)充，灌注樁樁徑與原設(shè)計(jì)方案一致，均設(shè)為0.50m。分析灌注樁對(duì)滲流的效果。在增設(shè)混凝土灌注樁方案下，計(jì)算結(jié)果如下：

（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(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6，對(duì)比天然地基計(jì)算結(jié)果分析可知：

a、由于上下游水位為邊界條件，因此在工況下，增設(shè)混凝土灌注樁后上下游最大水位差仍為5.5 m。其余關(guān)鍵部分的最大水頭差計(jì)算結(jié)果如下：齒墻處最大水頭差為3.10 m；水閘底板處最大水頭差為1.80 m。在相同的對(duì)比條件下，水頭較大（水頭大于1 m的區(qū)域）所占整體比重由原方案的39.15%下降至增設(shè)混凝土灌注樁方案下的7.21%；滲透狀況有顯著改善。

b、水口的平均水頭滲透坡降為0.138；出水口的平均水頭滲透坡降為0.139；齒墻處的的平均水頭滲透坡降略小于進(jìn)水口與出水口，達(dá)到0.092；其他剩余區(qū)域的平均值為0.048。但水頭滲透坡降為0的區(qū)域由原方案的20.25%增大至增設(shè)混凝土灌注樁方案下的35.87%；水頭滲透坡降為0.05以上的區(qū)域由原方案的50.29%下降至增設(shè)混凝土灌注樁方案下的37.19%。整體滲透分布顯著改善。

（2）工況二。

a、工況二下，增設(shè)混凝土灌注樁后上下游最大水位差仍為3.5 m。其余關(guān)鍵部分的最大水頭差計(jì)算結(jié)果如下：齒墻處最大水頭差為2.03 m；水閘底板處最大水頭差為1.49 m。在相同的對(duì)比條件下，水頭較大（水頭大于1 m的區(qū)域）所占整體比重由原方案的40.25%下降至增設(shè)混凝土灌注樁方案下的9.65%；滲透狀況有顯著改善。

b、水口的平均水頭滲透坡降為0.094；出水口的平均水頭滲透坡降為0.106；齒墻處的的平均水頭滲透坡降略小于進(jìn)水口與出水口，達(dá)到0.081；其他剩余區(qū)域的平均值為0.044。但水頭滲透坡降為0的區(qū)域由原方案的21.66%增大至增設(shè)混凝土灌注樁方案下的34.27%；水頭滲透坡降為0.05以上的區(qū)域由原方案的52.15%下降至增設(shè)混凝土灌注樁方案下的36.67%。整體滲透分布顯著改善。

圖5 工況二滲透壓力計(jì)算結(jié)果（增設(shè)混凝土樁基）

4 結(jié)論

本文以江蘇省蘇州常熟市虞山水閘作為實(shí)例研究工程，進(jìn)行建模分析，研究了天然地基和灌注樁處理地基下的滲流結(jié)果。研究結(jié)果顯示，在增設(shè)混凝土灌注樁進(jìn)行防滲處理后，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，平均滲透坡降顯著下降，同時(shí)大幅降低了最大水頭的占比，減小了實(shí)例工程的滲透壓力。由此可見(jiàn)，設(shè)置混凝土灌注樁進(jìn)行防滲處理合理、有效、可行。