唐子明，徐 瑞，王 淼，董鴻偉

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001)

0 引 言

我國(guó)現(xiàn)今中大型水閘約5 000座[1], 在灌溉、環(huán)保、防洪、水力發(fā)電、航運(yùn)等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的的作用。然而，中大型水閘在運(yùn)行過(guò)程中，安全會(huì)受到多種因素的影響，其中水閘地基不均勻沉降便是其中之一[2]。這是由于一些水電站閘址區(qū)常修建于黏土地基之上，而在水電站蓄水之后，水閘前后存在水位差，導(dǎo)致地基產(chǎn)生過(guò)大或不均勻沉降，使水閘與底板之間產(chǎn)生拉應(yīng)力，嚴(yán)重威脅水閘的安全運(yùn)行[2]。因此，分析蓄水水位差對(duì)船閘工程沉降的影響，是水閘安全運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外通常采用數(shù)值模擬的方法來(lái)分析地基沉降或者與建筑結(jié)構(gòu)之間的相互作用，常用的數(shù)值理論包括有限元法[4]、有限差分法[5]、離散元法[6]等。王澤志[7]利用流體力學(xué)軟件，以海河閘為例, 建立海河防潮閘三維數(shù)學(xué)模型，研究地面沉降因素對(duì)防潮閘水力特性的影響規(guī)律，獲得了在不同沉降量時(shí)的防潮閘閘下流態(tài)、流速及流量變化規(guī)律。王濤等[8]以某進(jìn)水閘為例, 通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)加固前后的地基沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,得到加固前后粉砂地基的沉降規(guī)律。李路華[9]利用ABAQUS有限元軟件,結(jié)合具體的工程實(shí)例進(jìn)行三維建模計(jì)算,模擬分析了某護(hù)鏡門型式水閘底板采用閘墩分縫和底板分縫時(shí), 對(duì)于不同的荷載工況,其相應(yīng)的受力及變形情況，為工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)?？妶A冰等[10]針對(duì)蘇州河河口水閘閘底板差異沉降小于1.5 cm的設(shè)計(jì)要求, 建立水閘整體三維有限元模型，并進(jìn)行多方案數(shù)值模擬，給出了控制差異沉降的有效方法。丁立魁[11]利用ABAQUS有限元軟件對(duì)吹填區(qū)內(nèi)一水閘工程進(jìn)行了基于共同作用理論的上部水閘結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-軟基的整體數(shù)值分析。

本文以沭新北船閘工程為例，采用ABAQUS建立三維船閘與地基模型，先將不同蓄水水位下，船閘底板的實(shí)測(cè)沉降與數(shù)值模型中的沉降進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模型的可靠性；再通過(guò)模型預(yù)測(cè)分析多種蓄水水位條件下，船閘工程各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降規(guī)律，其研究結(jié)果可為相關(guān)工程分析提供參考。

1 工程位置

沭新北船閘位于宿遷市沭陽(yáng)縣桑墟鎮(zhèn)青伊村境內(nèi)，上游為沭新河，下游為黃泥薔薇河，是分淮入沂綜合利用沭新河工程之一，與沭新南船閘一起溝通淮沭新河與連云港市航運(yùn)，尚可承擔(dān)沭新河向黃泥薔薇河補(bǔ)水的任務(wù)。沭新北船閘隸屬于江蘇省淮沭新河管理處，由薔薇河地涵管理所管理。工程位置見(jiàn)圖1，圖2為沭新河流域水系圖。

圖1 沭新北船閘工程位置圖

圖2 沭新河流域水系圖

2 模型建立與計(jì)算參數(shù)

沭新北船閘上閘首尺寸為 22.0 m×25.0 m(長(zhǎng)×寬)，閘首頂高程為▽8.50 m(20 年一遇洪水位+風(fēng)浪高)， 閘門頂高程▽8.10 m，底板底高程▽-3.50 m，底板厚為2.50 m。輸水廊道尺寸為2.50 m×2.0 m，廊道底高程為▽-1.0 m。下閘首尺寸為 22.0 m×25.0 m(長(zhǎng)×寬)，閘首頂高程為▽8.50，閘門頂高程▽8.10 m，閘墩控制樓段頂高程為 8.50 m，兩側(cè)閘頂高程為7.5 m，底板底高程▽-3.50 m，其余尺寸與上閘首保持一致。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)初勘查明，鉆探深度范圍內(nèi)的土層可分為6 個(gè)工程地質(zhì)層：①填土層：上部成分較復(fù)雜，以壤土、 粉質(zhì)壤土為主，中下部以黏土、粉質(zhì)黏土為主(可塑或可塑～硬塑狀)，層厚 0.6～9.0 m， 層底高程-1.24～4.83 m；②粉質(zhì)黏土層：灰褐色，軟塑～可塑狀，層厚0.2～0.6 m，層底高程3.51～3.77 m；③粉質(zhì)黏土層：灰褐色、灰黃色，可塑狀，層厚 0.5～1.7 m，層底高程 2.41～3.27 m；④粉質(zhì)黏土層：灰黃色、黃色，以硬塑狀為主，局部可～硬 塑狀，夾礓結(jié)石(較富集)，層厚 3.0～9.0 m，層底高程-5.87～-3.28 m；⑤輕砂壤土層：灰黃色，稍濕～濕，中密狀，夾礓結(jié)石局部夾粉質(zhì)黏土，層厚1.3～3.1 m，層底高程-7.15～-4.78 m；⑥黏土層：黃色、暗黃色，硬塑狀，無(wú)搖震反應(yīng)，有光澤，干強(qiáng)度及 韌性高，含氧化鐵粉末，夾礓結(jié)石(較富集)，勘察深度范圍內(nèi)未揭穿該層。圖3為本次概化模型，表1為本次計(jì)算力學(xué)參數(shù)。

圖3 船閘概化三維模型

表1 模型計(jì)算力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)測(cè)沉降對(duì)比

沭新北船閘引河斷面觀測(cè)每年汛前一次。水下部分采用過(guò)河索法，斷面距采用100 m標(biāo)準(zhǔn)測(cè)繩觀測(cè)，水深采用測(cè)深錘觀測(cè)，斷面河寬直接從測(cè)繩讀取。本工程共設(shè)56個(gè)垂直位移觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)，3個(gè)工作基點(diǎn)，垂直位移觀測(cè)采用DNA03型電子水準(zhǔn)儀，觀測(cè)等級(jí)三級(jí)，觀測(cè)精度符合要求。

本文以2021年的6次蓄水位差的觀測(cè)結(jié)果為基準(zhǔn)來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性，實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。圖5為本次不同蓄水位差下數(shù)值結(jié)果誤差。由圖5可知，當(dāng)蓄水位差為4.13 m時(shí)，上閘首與底板2的實(shí)測(cè)沉降與數(shù)值結(jié)果相差最大，約為16.8%；當(dāng)蓄水位差為3.86 m時(shí)，上左翼的誤差最大，為15.1%；當(dāng)蓄水位差為3.57 m時(shí)，下閘首、底板1、下左翼的沉降誤差最大，分別為10.3%、11.3%和16.6%。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)沉降與對(duì)應(yīng)的數(shù)值模型中的沉降最大誤差為16.8%，最小誤差為1.5%，總體上小于20%。因此，本次建立的數(shù)值模型可以用于預(yù)測(cè)不同水位差下的整個(gè)船閘工程不同部位的沉降。

圖4 不同蓄水位差下的實(shí)測(cè)沉降

圖5 不同蓄水位差下的數(shù)值結(jié)果誤差

4 不同蓄水位差下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降預(yù)測(cè)

本文根據(jù)多年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，一共設(shè)計(jì)15種蓄水位差來(lái)分析整個(gè)船閘工程的沉降，見(jiàn)圖6。圖6中最大蓄水位差5.9 m，最小蓄水位差2.25 m。

圖6 15種不同蓄水位差

圖7為不同蓄水位差下的上閘首預(yù)測(cè)沉降。由圖7可知，當(dāng)蓄水位差為5.9 m時(shí)，上閘首的沉降最大，為3.8 mm；而當(dāng)蓄水位差為2.3 m時(shí)，沉降最小，為0.08 mm。此外從圖7中還可看到，不同蓄水位差下的上閘首沉降變化趨勢(shì)并不相同，當(dāng)蓄水位差在[2.66, 2.74]、[3.49, 3.83]、[5.26, 5.61]這3個(gè)區(qū)間時(shí)，上閘首的沉降變化趨勢(shì)最陡，沉降增長(zhǎng)最快。

圖7 不同蓄水位差下的上閘首預(yù)測(cè)沉降

圖8為不同蓄水位差下的上左翼預(yù)測(cè)沉降。由圖8可知，當(dāng)蓄水位差為5.9 m時(shí)，上左翼的沉降最大，為2.2 mm；而當(dāng)蓄水位差為2.3 m時(shí)，沉降最小，為0.1 mm。此外，當(dāng)區(qū)間蓄水位區(qū)間在[3.23, 3.49]時(shí)沉降增長(zhǎng)最快。從圖8中的數(shù)據(jù)還可得出，同一蓄水位差下，上閘首與上左翼的沉降并不一致。說(shuō)明不同蓄水位差下，地基產(chǎn)生了明顯的差異沉降，容易造成底板底部產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致翼墻開(kāi)裂。

圖8 不同蓄水位差下的上左翼預(yù)測(cè)沉降

圖9為不同蓄水位差下的底板1與底板2預(yù)測(cè)沉降。由圖9可知，底板1與底板2的最大沉降存在一定差值，其中在蓄水位差為，5.9 m時(shí)，底板1的最大沉降為1.99 mm，而底板2的最大沉降為1.87 mm。蓄水位差在區(qū)間[3.43,5.42]時(shí)，兩者的沉降差和增長(zhǎng)趨勢(shì)幾乎保持一致；但當(dāng)蓄水位差小于3.42 m時(shí)，底板1與底板2的沉降對(duì)水壓力的響應(yīng)并不相同，兩者沉降差較大。

圖9 不同蓄水位差下的底板1與底板2預(yù)測(cè)沉降

圖10為不同蓄水位差下的下閘首預(yù)測(cè)沉降。在圖10中，當(dāng)蓄水位差達(dá)到最大時(shí)，下閘首的最大沉降為3.95 mm；當(dāng)蓄水位差為2.25時(shí)候，沉降僅為0.03 mm。其中，當(dāng)蓄水位差在區(qū)間[3.23,5.26]時(shí)，下閘首的沉降增長(zhǎng)較為緩慢，幾乎保持不變；而當(dāng)蓄水位差大于5.26 m時(shí)，下閘首的沉降增長(zhǎng)趨勢(shì)最快。

圖10 不同蓄水位差下的下閘首預(yù)測(cè)沉降

圖11為不同蓄水位差下的下左翼預(yù)測(cè)沉降。由圖11可知，下左翼的總體沉降趨勢(shì)與下閘首相似，存在沉降緩沖區(qū)和沉降加速增長(zhǎng)區(qū)。其中，當(dāng)蓄水位差在區(qū)間[3.8,5.61]時(shí)，沉降增長(zhǎng)速度明顯較緩；而當(dāng)蓄水位差大于5.61 m，增長(zhǎng)速度較快。本案例中，當(dāng)蓄水位差為5.9 m時(shí)，下左翼沉降最大，為2.63 mm。

圖11 不同蓄水位差下的下左翼預(yù)測(cè)沉降

5 結(jié) 論

本文以沭新北船閘工程為例，采用ABAQUS建立了三維船閘與地基模型，先將不同蓄水水位下，船閘底板的實(shí)測(cè)沉降與數(shù)值模型中的沉降進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模型的可靠性；再通過(guò)模型預(yù)測(cè)分析了多種蓄水水位條件下，船閘工程各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降規(guī)律。結(jié)論如下：

1) 當(dāng)蓄水位差為5.9 m時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降最大，分別為上閘首3.8 mm，上左翼2.2 mm，底板1為1.99 mm，底板2為1.87 mm；而下閘首與下左翼分別為3.95 mm和2.63 mm。

2) 同一蓄水位差下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降并不一致。說(shuō)明不同蓄水位差下，地基產(chǎn)生了明顯的差異沉降，容易造成底板底部產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致翼墻開(kāi)裂和閘首變形。