柳厚祥，胡楚鑫

（長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

洞庭湖區(qū)軟基分布廣泛且壓縮性較高，建于軟基上的老舊水閘數(shù)量眾多。目前，除了險加固工程［1］，往往只重視水閘本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對水閘下軟弱基礎(chǔ)的重視程度不夠，容易引發(fā)水閘不均勻沉降、翼墻傾斜失穩(wěn)等安全隱患，甚至可能危及整個水閘的運行安全。洞庭湖區(qū)處于斷裂帶附近，曾多次發(fā)生地震，為避免水閘存在安全隱患，需要探究洞庭湖區(qū)水閘與軟基的相互作用機(jī)理，并開展相應(yīng)的動力響應(yīng)分析。

目前，國內(nèi)外的一些學(xué)者已經(jīng)對軟基上水閘進(jìn)行了深入研究。殷曉曦等［2］對井字梁底板式水閘進(jìn)行了有限元計算，得到了不同工況下各構(gòu)件的內(nèi)力和位移。彭淵等［3］采用ABAQUS軟件研究了閘側(cè)空箱對翼墻及樁基礎(chǔ)位移的影響。廖文來等［4］利用監(jiān)控手段探究了閘墩結(jié)構(gòu)各指標(biāo)的工作性態(tài)。王陽［5］通過改變結(jié)構(gòu)及地基土的參數(shù)，分別對比在不同情況下閘室結(jié)構(gòu)的受力特性。吳維軍等［6］分析了加載對輸水閘進(jìn)水井沉降的影響，并提出了對應(yīng)的地基處理措施。薛靜靜［7］比較了兩種計算方法下雙鉸式閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變賦值結(jié)果。這些研究是基于靜荷載下軟基水閘的結(jié)果，并未涉及動力響應(yīng)分析。陳凸立等［8］基于ANSYS 軟件研究了閘壩的動力特性及穩(wěn)定性。朱慶華等［9］采用振型分解反應(yīng)譜法對閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計算，并提出了有針對性的抗震措施。崔春義等［10］采用振型分解反應(yīng)譜和動力時程分析，驗證了船閘的抗震性能。李火坤等［11-12］提出了軟基水閘有限元模型參數(shù)修正方法和底板脫空動力學(xué)反演方法，以反映水閘結(jié)構(gòu)真實的動力學(xué)特性。張建偉等［13］采用AVMD-KELM方法預(yù)測了水閘結(jié)構(gòu)的振動趨勢。這些研究大多以地震作用下水閘結(jié)構(gòu)為研究對象進(jìn)行受力變形分析，但未涉及水閘的軟基穩(wěn)定性。由于軟基承載力普遍較低，在地震荷載下易導(dǎo)致水閘發(fā)生不均勻沉降甚至開裂等現(xiàn)象。

綜上所述，考慮到在水閘結(jié)構(gòu)和軟基相互作用下的動力響應(yīng)分析較少，現(xiàn)有規(guī)范也未提及相應(yīng)的理論分析方法，且土體中的孔隙水壓力、有效應(yīng)力和沉降變形等均難以簡單地通過理論方法進(jìn)行簡化計算。因此，在對洞庭湖區(qū)域分布的大中型水閘做了初步了解和篩選的基礎(chǔ)上，本研究擬選用蘇家吉排水閘作為洞庭湖軟基上水閘的典型工程案例，采用FLAC3D有限差分軟件建立三維數(shù)值動力仿真模型［14］，分析動力響應(yīng)中水閘結(jié)構(gòu)與地基土相互作用下的受力變形情況，以期為水閘抗震加固設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

1.1 洞庭湖區(qū)軟基特性

洞庭湖區(qū)位于長江中游南岸，跨湖南省和湖北省，行政區(qū)劃包括湖北省4 個縣市區(qū)及湖南省21 個縣市區(qū)。由于洞庭湖區(qū)水系較為復(fù)雜，沉積環(huán)境多樣，因此該地區(qū)的巖土結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較大的復(fù)雜性。根據(jù)洞庭湖區(qū)堤垸地基的地質(zhì)勘測報告可知，該地區(qū)地層上部主要為厚薄不一的淤泥土，具有高壓縮性、低強(qiáng)度等特點，因此易產(chǎn)生較大的沉降及不均勻沉降［15-16］。

1.2 洞庭湖區(qū)水閘結(jié)構(gòu)特性

洞庭湖區(qū)占地面廣，天然湖泊容積也大。為了防止潮水倒灌以及在汛期排放洪水，在洞庭湖各堤垸處建立了大量具有擋水、泄水作用的水閘。根據(jù)最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，湖區(qū)大中型水閘共計122 處298 孔。按照閘身材質(zhì)，可以分為鋼筋混凝土、混凝土、漿砌石等。其中，鋼筋混凝土材質(zhì)占比65.57%，混凝土材質(zhì)占比9.02%，其他材質(zhì)占比25.41%。按照水閘類型，可以分為排水閘、撇洪閘、低排閘、節(jié)制閘等。其中，排水閘占比54.92%， 撇洪閘占比7.38%，低排閘占比6.56%，其他類型占比31.14%。

1.3 典型水閘結(jié)構(gòu)形式

洞庭湖區(qū)的水閘典型結(jié)構(gòu)形式以鋼筋混凝土材質(zhì)為主，其中，排水閘占主導(dǎo)地位。

以蘇家吉排水閘作為典型水閘的案例進(jìn)行分析。蘇家吉排水閘位于沅水尾閭的軟基上，采用混凝土平底板胸墻式整體結(jié)構(gòu)，寬度為21.00 m，總凈長為 70.28 m，共有5 個孔，單孔長為10.00 m。閘室底檻高程為26.50 m，底板厚度為1.50 m，內(nèi)、外導(dǎo)水墻底檻高程為27.00 m，底板厚度為1.00 m，兩岸堤防填土的高程一致。內(nèi)、外導(dǎo)水墻基礎(chǔ)布設(shè)鋼筋混凝土灌注樁，樁長10.00 m。根據(jù)歷年來最高水位情況，設(shè)計外河水位高程為40.00 m，內(nèi)河水位高程為34.50 m。蘇家吉排水閘平面和剖面如圖1～2所示。

圖1 蘇家吉排水閘平面圖（單位： mm）Fig. 1 Layout of Sujiaji Drainage Sluice （unit： mm）

圖2 蘇家吉排水閘閘室剖面圖（單位： mm）Fig. 2 Section of Sujiaji drainage gate chamber （unit： mm）

1.4 典型水閘軟基分布

根據(jù)蘇家吉水閘的地質(zhì)情況，如圖3 所示。除人工填土區(qū)域外，其他主要為Q4al+1地層。

圖3 蘇家吉排水閘工程地質(zhì)分布（單位： m）Fig. 3 Geological distribution of Sujiaji drainage gate project（unit： m）

從圖3 中可以看出，在水閘軸線上的地基土為粉質(zhì)黏土，土層厚度約3.80 m，處于可塑狀態(tài)，屬于相對良好的地基持力層。在約5.00 m 深度范圍內(nèi)，地基土為淤泥質(zhì)土，具有高含水量、低強(qiáng)度、高壓縮性的軟土特征，容許承載力僅為60～70 kPa。在5.33 m至10.72 m深度范圍內(nèi)，地基土為沖湖積灰色粉質(zhì)壤土，較密實，粉粒含量高，呈可塑狀，承載力為140 kPa。在大于10.72 m 深度的為砂礫層，地基承載力較高，可以作為持力層。

2 三維數(shù)值模型的構(gòu)建

2.1 模型建立

以蘇家吉排水閘的水文地質(zhì)、水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計及水位等條件為依據(jù)，利用FLAC3D軟件構(gòu)建了三維有限差分法數(shù)值仿真模型。模型在順河流方向上的長度為121.00 m，垂直水流方向上的寬度為182.00 m，砂礫層的厚度設(shè)為5 倍樁長（即50.00 m）［17-18］。考慮到FLAC3D專門開發(fā)了外接接口，能夠很好地兼容其他軟件生成的網(wǎng)格文件，且ABAQUS 有限元軟件的前處理具有便捷、強(qiáng)大等諸多優(yōu)點，并能生成規(guī)則的單元體模型，適用于建立大型且復(fù)雜的三維模型，符合FLAC3D對單元體的要求，因此保證了其在計算過程中的精度。此外，盡管導(dǎo)墻和導(dǎo)墻下樁基礎(chǔ)的作用是維持填土的穩(wěn)定性，但導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，樁基礎(chǔ)分布較廣、數(shù)量繁多。為便于觀察軟基在水壓力及地震荷載共同作用下的變化規(guī)律，將導(dǎo)墻及其樁基礎(chǔ)簡化成直墻形式。網(wǎng)格劃分時，選用六面體單元來代表土體及水閘結(jié)構(gòu)，模型網(wǎng)格劃分的單元總數(shù)為41 096 個，節(jié)點總數(shù)為45 696 個。其中，土體單元總數(shù)為40 425個，ABAQUS有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 蘇家吉排水閘三維有限元網(wǎng)格模型（單位： m）Fig. 4 3D finite element mesh model of Sujiaji drainage gate（unit： m）

選用直角坐標(biāo)系來建立模型，以砂礫層底面左下角為原點，x軸為垂直水流方向，y軸為順?biāo)飨蛳路较颍瑉軸豎直向上。模型底部為固定邊界，頂部為自由面，其他面則限制法向位移。為了合理地模擬水閘模型的受力狀態(tài)，并考慮實際求解中的非線性問題，水閘閘室、導(dǎo)墻和砂礫層采用各向同性彈性本構(gòu)模型（Elastic），模型中其他土體則采用彈塑性本構(gòu)模型。假設(shè)土層是各向同性的材料，土體符合用莫爾-庫侖（M-C）準(zhǔn)則。在水閘閘室、導(dǎo)墻在土體相連接的位置上布置接觸面，接觸面參數(shù)的取值參考文獻(xiàn)［19］。

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)蘇家吉排水閘勘查報告，將工程地質(zhì)土體劃分5種類型，水閘閘室、導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)混凝土材料選用C25強(qiáng)度等級，土體及結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值計算力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of numerical calculation

2.3 數(shù)值模擬工況

由于水閘內(nèi)、外河兩側(cè)的設(shè)計水位不同，為更好觀察軟基在動力響應(yīng)下的變化規(guī)律，將外河設(shè)計水位作為整體模型的水位線。同時，為了便于觀察模型內(nèi)部的響應(yīng)情況，在閘室底部設(shè)置監(jiān)測點，以觀察孔隙水壓力、有效應(yīng)力、豎向沉降等各項指標(biāo)。監(jiān)測點位置如圖5所示，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 監(jiān)測點分布Table 2 Monitoring point distributions

圖5 蘇家吉排水閘閘室下監(jiān)測點Fig. 5 Setting of monitoring points under the gate chamber of Sujiaji drainage gate

針對水閘動力的研究，主要有擬靜力法、反應(yīng)譜法和時程分析法等方法［20］，但擬靜力法和反應(yīng)譜法無法完整體現(xiàn)出建筑物在真實地震波作用下的全過程響應(yīng)，因此無法準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的真實受力情況［21］。為了模擬地震對蘇家吉排水閘的影響，考慮到蘇家吉排水閘三維數(shù)值模型的復(fù)雜性，以及水平順河向地震能對水閘閘墩產(chǎn)生的線性增長的慣性力，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的要求更高［21-24］。

本研究采用地震波沿水平順河向進(jìn)行震動，地震波的波峰值為0.1g。由于該地震波每次往返作用的周期值分布在0.1～0.5 s，地震作用頻率約為2～10 Hz。因此，在動力計算之前，須在SeismoSignal軟件中對地震波進(jìn)行濾波和基線校正。其步驟如下：

1）先對地震波中頻率大于10 Hz 的部分進(jìn)行過濾。

2）通過添加多項式的方式，使得地震波的累計速度和累計位移近似為零。

3）對比地震波基線校正前后的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)校正前的累計位移高達(dá)15.00 cm，而校正后的累積位移小于0.20 cm，同時累積速度非常小。

地震波基線校正后的數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 地震波基線校正后數(shù)據(jù)Fig. 6 Corrected dates of seismic wave baseline

3 軟基上水閘的靜力分析

為了真實地進(jìn)行水閘模型的仿真計算，須在動力計算之前對該模型進(jìn)行靜力分析，以獲取初始應(yīng)力場的分布結(jié)果。水閘在承受自重、土壓力、水壓力等荷載作用下產(chǎn)生一定沉降。采用FLAC3D有限元軟件計算初始地應(yīng)力的步驟如下：

1） 先對材料賦予干密度，采用彈塑性計算方法，計算初始應(yīng)力。

2） 開啟滲流模塊，將混凝土材料設(shè)置為不透水模型，將土體單元設(shè)置為各向同性滲流模型。

3） 在整個模型上施加相應(yīng)的水位，并對內(nèi)、外河消力池及導(dǎo)墻施加靜水壓力。

在未考慮水壓力的影響下，模型豎向變形云圖如圖7所示。

圖7 豎向變形云圖（單位：m）Fig. 7 Vertical deformation cloud calculated （unit： m）

從圖7中可以看出，淤泥質(zhì)土層上的水閘兩側(cè)填土在導(dǎo)墻處有明顯豎向沉降，最大沉降量為0.38 mm，這是由于導(dǎo)墻與土體剛度有差異所導(dǎo)致的。相比之下，粉質(zhì)黏土層的強(qiáng)度大于淤泥質(zhì)土層的，因此粉質(zhì)黏土層上的填土的最大豎向沉降僅為0.26 mm，約占為68%。值得注意的是，所有導(dǎo)墻底部在計算結(jié)束后均出現(xiàn)了局部隆起現(xiàn)象，這是因為導(dǎo)墻兩側(cè)存在較大的高度差，加上淤泥質(zhì)土層的抗剪強(qiáng)度低，容易使得填土的推力在重力作用下繞過導(dǎo)墻，作用于消力池處的土體上。同時，也可以觀察到隆起現(xiàn)象隨著遠(yuǎn)離導(dǎo)墻而出現(xiàn)迅速減弱的趨勢，使得消力池中部區(qū)域的豎向沉降大于隆起值，從而表現(xiàn)為沉降。

在考慮水壓力的影響下，模型施加水壓力后的豎向變形云圖如圖8所示。

圖8 施加水壓力后的豎向沉降云圖 （單位：m）Fig. 8 Vertical settlement clouds after applying water pressure （unit： m）

從圖8中可以看出，在設(shè)置水位線后，水閘淤泥質(zhì)土層上的填土在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)生豎向沉降，增長了約72%。這是因為水分子進(jìn)入孔隙后可以有效地降低土體抗剪強(qiáng)度，加上孔隙水在重力作用下產(chǎn)生的靜水壓力荷載，使得淤泥質(zhì)土層和填土層得到了進(jìn)一步擠壓。填土在靜水壓力作用下加劇了向消力池方向移動的趨勢，使得最大沉降的范圍僅集中在導(dǎo)墻附近，最大沉降為0.67 m，但消力池內(nèi)部同樣受到靜水壓力荷載，這抑制了導(dǎo)墻底部的隆起。值得注意的是，粉質(zhì)黏土層上的填土在閘室處也開始出現(xiàn)小范圍的豎向沉降，這可能是由于周圍土體發(fā)生不均勻沉降時，填土層土顆粒間的黏聚力發(fā)揮出一定的作用，快速沉降的土顆粒會對沉降較慢的土顆粒產(chǎn)生牽引力，而這種牽引力主要集中于填土層內(nèi)側(cè)。因此，填土分的豎向沉降表現(xiàn)出從內(nèi)至外遞減的現(xiàn)象。

4 軟基上水閘的動力響應(yīng)分析

在靜力計算結(jié)果基礎(chǔ)上，采用FLAC3D軟件的動力模塊和滲流模塊進(jìn)行軟基上水閘的動力計算。為吸收地震波在邊界上的反射，在動力計算時，對模型四周設(shè)置自由場邊界，以達(dá)到模擬無限場地的效果。動力響應(yīng)分析主要是分析水閘豎向變形以及監(jiān)測點各指標(biāo)的時程變化。

4.1 監(jiān)測點加速度響應(yīng)分析

為方便比較監(jiān)測點A1和A2在施加地震荷載后的加速度響應(yīng)值，定義了監(jiān)測點加速度時程上的峰值加速度與輸入地震波加速度時程上的峰值加速度的比值為PGA 放大系數(shù)。根據(jù)圖9 的數(shù)據(jù)，可以得到監(jiān)測點A1和A2的PGA 放大系數(shù)分別為1.55 和1.23，并發(fā)現(xiàn)砂礫層的厚度和強(qiáng)度遠(yuǎn)大于粉質(zhì)壤土層和粉質(zhì)黏土層的。當(dāng)?shù)卣鸩◤牡撞總鬟f到粉質(zhì)壤土層時，監(jiān)測到的PGA放大系數(shù)增加了23%，而從粉質(zhì)壤土層傳遞到粉質(zhì)黏土層時，監(jiān)測到的PGA 放大系數(shù)增加了約26%，這反映出在地震作用下，低強(qiáng)度土體的PGA 放大系數(shù)的增幅比高強(qiáng)度土體的變化更快。同時，通過與圖6中地震波基線校正后的數(shù)據(jù)比較，可以發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點的峰值加速度在時間點上滯后于輸入地震波的峰值加速度。這表明地震的傳播是從震源處逐步擴(kuò)散的，且不同高程位置接收到的地震波時間存在差異。

圖9 閘室監(jiān)測點加速度時程Fig. 9 Acceleration timescale of gate chamber monitoring points

4.2 豎向沉降變化分析

動力計算結(jié)束后的豎向沉降如圖10 所示。從圖10 可以看出，在動力計算結(jié)束后，填土區(qū)域存在不同程度的隆起現(xiàn)象。其中，粉質(zhì)黏土層以上的填土區(qū)域的隆起現(xiàn)象最為突出，高達(dá)30.5 mm。這是因為在水平順河向地震波作用下，淤泥質(zhì)土層較粉質(zhì)黏土層更容易使得上方的填土區(qū)域產(chǎn)生滑動。這導(dǎo)致粉質(zhì)黏土層上的填土不斷承受兩側(cè)填土的擠壓。當(dāng)加速度時程進(jìn)入主震階段后，兩側(cè)的擠壓作用變得更加強(qiáng)烈；而當(dāng)接近地震尾聲時，擠壓作用逐漸減小，但并未完全消失。因此，動力計算結(jié)束后，粉質(zhì)黏土層上的填土維持在較高的隆起狀態(tài)，而其他范圍填土的隆起值則普遍較低。

圖10 動力計算結(jié)束后的豎向沉降云圖（單位：m）Fig. 10 Vertical settlement cloud at the end of the dynamical calculation （unit： m）

監(jiān)測點的豎向沉降時程曲線如圖11 所示。從圖11 可以看出，曲線一開始急劇上升，但在主震階段出現(xiàn)跳躍式變化。隨著地震波幅值的減小，曲線跳躍動作消失，同時增長速率逐漸變緩，最終在地震臨近結(jié)束時維持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)下?？紤]到在上部閘室自重荷載約束下，監(jiān)測點A1的豎向沉降略大于監(jiān)測點A2的。這表明在豎向變形方面，淤泥質(zhì)土的存在會影響到閘室下地基的穩(wěn)定性。尤其是在對應(yīng)的輸入地震波峰值加速度時間點附近，兩個監(jiān)測點的豎向沉降值的差異最大達(dá)到0.34 mm。

圖11 閘室監(jiān)測點豎向沉降時程Fig. 11 Time course of vertical settlement of gate chamber monitoring points

4.3 監(jiān)測點超孔壓與有效應(yīng)力增量分析

閘室監(jiān)測點的超孔隙水壓力和有效應(yīng)力隨時間的變化如圖12～13 所示。從圖12～13 可以看出，超孔隙水壓力和有效應(yīng)力增量隨著時間的推移整體呈增加趨勢。其中，監(jiān)測點A1在前1.0 s 內(nèi)的變化趨勢最為明顯，呈現(xiàn)出倒Z 字形。從圖5 和圖10可以看出，在前1.0 s 內(nèi)，由于地震幅值普遍較低，監(jiān)測點土層的孔隙水壓力得到一定程度的消散，有效應(yīng)力也有所增長。然而，隨著地震幅值的逐漸增大，超孔隙水壓力和有效應(yīng)力的增長速率迅速上升。在3.5 s 之后，兩者的增長速率逐漸變緩，監(jiān)測點A2甚至開始出現(xiàn)孔隙水壓力消散的現(xiàn)象。這可能是由于來自低高程位置的高孔隙水壓力和高有效應(yīng)力，以及在砂礫層共同影響下的結(jié)果。

圖12 閘室監(jiān)測點超孔隙水壓力時程Fig. 12 Time course of excess pore water pressure of gate chamber monitoring points

圖13 閘室監(jiān)測點有效應(yīng)力增量時程Fig. 13 Time scale for increasing effective stress of gate chamber monitoring points

5 結(jié)論

本研究基于軟基上蘇家吉排水閘的三維動力數(shù)值計算結(jié)果，分析了水閘兩個計算階段的豎向沉降、監(jiān)測點的加速度響應(yīng)規(guī)律，以及豎向沉降、孔隙水壓力和有效應(yīng)力的發(fā)展趨勢。得出以下結(jié)論：

1） 在施加水壓力作用前，填土區(qū)域有向消力池內(nèi)部移動的趨勢，導(dǎo)致導(dǎo)墻底部產(chǎn)生部分隆起。施加水壓力作用后，靠近導(dǎo)墻內(nèi)部填土范圍的沉降加劇，而導(dǎo)墻底部在靜水壓力作用下隆起現(xiàn)象得到進(jìn)一步約束。

2） 在地震傳播過程中，砂礫層的厚度和強(qiáng)度高于粉質(zhì)壤土層和淤泥質(zhì)土層的，但其PGA 放大系數(shù)增長緩慢。不同高程監(jiān)測點的加速度具有時間滯后現(xiàn)象。

3） 在地震作用時，由于淤泥質(zhì)土層自身抗剪強(qiáng)度較低，該土層上部的填土在地震發(fā)生的全過程中不斷對粉質(zhì)黏土層上部的填土進(jìn)行擠壓，使得該區(qū)域出現(xiàn)了較大范圍的隆起現(xiàn)象。

4） 隨著地震的不斷作用，孔隙水壓力、有效應(yīng)力和加速度幅值呈現(xiàn)規(guī)律性變化。在地震荷載施加的前期階段，加速度幅值普遍較低，孔隙水壓力和有效應(yīng)力表現(xiàn)為先升后降。當(dāng)?shù)卣鹩瓉矸逯导铀俣群?，孔隙水壓力和有效?yīng)力增長速率達(dá)到最大值。在地震臨近結(jié)束時，孔隙水壓力和有效應(yīng)力增長較為緩慢，鄰近砂礫層的粉質(zhì)壤土層甚至開始出現(xiàn)孔隙水壓力消散和有效應(yīng)力增加的現(xiàn)象。