基于Biot固结理论的闸基灌注桩基础变形计算

杨宁 刘灿

摘 要：甘肃省张掖市黑河小孤山水电站枢纽采用闸坝型式，基础河床覆盖着深厚的淤泥质土，采用混凝土灌注桩群桩措施进行基础处理。为研究闸基处理后变形情况，采用Biot固结理论，基于有限元法对多工况下桩基变形进行计算，并将计算结果与后期运行中枢纽上游、中游和下游3排共计15个监测点连续106期的监测数据进行对比。结果表明：①工程从开挖至正常运行和发生地震情况的桩基变形有限元计算结果与按照规范计算的结果较为接近;②枢纽工程建设完成后对其进行连续监测，将监测数据与计算数据对比，二者基本吻合，基础处理方案合理、有效，计算方法合理;③混凝土灌注桩群桩基础的处理措施改善了淤泥质软土的剪切变形和不均匀沉降，为工程的安全运行提供了保障。

关键词：Biot固结理论;闸基;混凝土灌注桩群桩;变形计算

中图分类号：TU473.1+4   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.028

Abstract：The sluice and dam are used in the Xiaogushan Hydropower Station of Heihe River in Zhangye City， Gansu Province. The river bed of the foundation is covered with deep silty soil and the foundation treatment is carried out by concrete grouting pile group piles. In order to study the deformation of sluice foundation after treatment， Biot consolidation theory was used to calculate the deformation of pile foundation under multiple conditions based on finite element method. Then the calculation results were compared with the monitoring data for 106 consecutive periods of 15 monitoring points in 3 rows of upstream， middle stream and downstream of the later operation hub. The results show that a） the results of pile foundation deformation base on finite element calculation method from excavation to normal operation and earthquake occurrence are close to those calculated according to the specifications; b） continuous monitoring is carried out after completion of complex project construction， and the monitoring data are basically in agreement with the calculation data， which shows that the foundation treatment scheme is reasonable， effective and the calculation method is reasonable and; c） treatment measures for pile group foundation of concrete cast-in-place piles improve shear deformation and uneven settlement of silty soft soil， which provides guarantee for safe operation of the project.

Key words： Biot consolidation theory; sluice foundation; concrete pile group; deformation calculation

在軟土地基上进行水利水电工程建设，对于软土地基性质的研究、加固处理技术的探索是土木工程界所关注的重点、难点和热点[1]。根据水工建筑物类别对地基承载力的要求以及基础处理引起的工程投资等问题，应针对不同情况对软土地基采取不同的处理措施。常用的处理方法有换填法、排水固结预压法、强夯法、灰土挤密桩法、振冲碎石桩法、高压喷射注浆法、水泥搅拌桩法、灌注桩群桩法等，其中：换填法广泛应用于土层厚度在4 m以内的浅层地基处理;排水固结预压法多应用于土坝的基础处理[2-4];强夯法特别适合粗颗粒非饱和土、含水量不大的杂填土与湿陷性黄土、低饱和黏性土与粉土地基处理[5-6];灰土挤密桩法主要用于处理地下水位以上且深度在5～15 m的黄土或杂填土地基，而地下水位以下或含水量超过25%的土地基不适合用该方法[7];振冲碎石桩法最初用于振密松砂地基，后来逐渐应用于黏性土地基，主要机理是置换和促进地基土排水固结，桩间土承载力提高较大[8-10];高压喷射注浆法主要适用于处理淤泥、黏性土和粉土，当地基中含有较大粒径的块石时不宜采用该方法[11-14];水泥搅拌桩法适用于加固各种成因的饱和软黏土，例如淤泥、淤泥质土、黏土以及粉质黏土等[15-17];灌注桩群桩法广泛适用于各种岩性地层，尤其适用于不良地质条件、地下水位较高的土层。

甘肃省张掖市黑河小孤山水电站枢纽基础河床覆盖着深厚的淤泥质土，厚度为5～18 m，通过方案比选，选用混凝土灌注桩群桩法处理地基。笔者采用Biot固结理论，基于有限元法，对多工况下的桩基变形进行预测，并对比水电站运行过程中的枢纽变形观测数据，分析基础处理方式及计算方法的合理性，以期为同类工程设计和施工提供參考。

1 工程概况

黑河小孤山水电站枢纽采用闸坝型式，主河床布置4孔泄洪冲沙闸、1孔进水闸，其中：泄洪冲沙闸为胸墙式，闸孔尺寸均为8 m×8 m（宽×高），闸室长度50 m;进水闸布置于右岸、泄洪冲沙闸上游侧，引水洞轴线与河道成60°夹角，为深式进水口，孔口尺寸6 m×6 m（宽×高）。枢纽左侧布置挡水墙与岸坡连接，拦河闸总宽度76 m。枢纽区出露地层主要为中、下志留统硅质板岩（Sba1-2）及第四系各种松散堆积物。第四系松散堆积层从上到下依次为冲洪积含块石砂卵砾石、冲洪积粉质黏土、冲洪积砂卵砾石、冰碛含砾砂壤土、冰碛含砾块石碎石土，其中冲洪积粉质黏土厚度为17 m，黏粒含量30.8%～61.5%，粉粒含量32.0%～62.0%，沙粒含量2.1%～17.5%，垂直渗透系数1.35×10-5cm/s，承载力为0.12～0.15 MPa，按该层土的天然含水率和天然孔隙比判断为淤泥质软土，按该粉质黏土的压缩系数0.49判定土层为高压缩性土层，同时属于微透水层。

鉴于小孤山水电站枢纽区工程地质条件的特殊性，枢纽地基深厚覆盖层处理选用混凝土灌注桩群桩法。桩基呈梅花形布置，共122根桩，顺水流方向桩中心间距按3倍桩径布置，边桩中心距闸底板边缘1.2 m，共9排，其中：5排排列14根桩，4排排列13根桩，排间桩位错开1.8 m，边排距底板边缘1.4 m。

2 群桩基础变形计算

2.1 计算方法

2.2 有限元计算模型

按照实际的桩基地层分布剖分的网格，共分为1 413个节点，1 295个单元，等参单元大部分采用四节点四边形单元，为适应地质条件的变化部分采用三节点三角形单元。计算时考虑闸底板和桩基共同作用，将外荷载直接施加于闸底板中心。桩基剖面见图1，根据结构力学方法求得的荷载见表2。

桩与基础接触面上设置接触单元，模拟两者之间的相互作用。以节理两边对应节点相对位移作为变量，而不考虑接触面法向应力与法向相对位移和切向相对位移之间的耦合作用[18-20]。本文采用Desai等[20]提出的薄层单元，其厚度取为5 cm。在网格剖分过程中，同时考虑在桩基底部设置5 cm厚的沉渣单元。测试数据和有限元计算值对比见图2，可发现二者基本吻合。

2.3 有限元计算结果

2.3.1 水平位移变形

有限元计算桩的水平位移分布见图3（指向下游方向为正，指向上游方向为负），可以看出桩顶部的水平位移在正常蓄水期为3.5 mm，在地震情况下为6.3 mm。根据规范（各向同性均质线性变形体理论）计算得出正常蓄水位情况和地震情况下桩顶水平位移分别为2.63 mm和5.83 mm，有限元计算结果与按照规范计算的结果较为接近，说明计算结果合理可靠。

2.3.2 沉降变形

完建期和正常蓄水情况下，由于沿水流方向桩基垂直荷载逐渐减小，加之压缩层厚度沿水流方向也逐渐减小，因此上游侧地基土沉降量较下游侧的大，但桩基顶部的沉降差异并不显著。在完建期，桩1顶部的沉降量为73.4 mm，桩14顶部的沉降量为64.8 mm，沉降差为8.6 mm;在正常蓄水情况下，桩1顶部的沉降量为70.6 mm，桩14顶部的沉降量为64.2 mm，沉降差为6.4 mm。在地震情况下，桩1顶部的沉降量为59.6 mm，桩14顶部的沉降量为71.0 mm，沉降差为11.4 mm，计算结果在安全设计范围（200 mm）内。

3 枢纽变形监测

小孤山水电站2003年开工建设，2006年首台机组并网发电。2006年5月4日开始首期枢纽变形监测，通过分析106期（一期为一个月）变形监测结果，验证计算方法和基础处理设计的合理性。在小孤山水电站枢纽闸坝1#、2#、3#、4#泄洪冲沙闸等主要工程范围内，共布设3条视准线、15个监测点，进行枢纽外部永久变形监测工作。根据监测数据分析106期各个监测点的位移过程线，剔除个别监测期个别监测点的异常值，分类汇总后过程线见图4，枢纽前水位变化过程线见图5。

（1）上游一排视准线上的监测点的位移趋势。在监测的1～17期，监测点水平位移随水位升高呈不断增大趋势，垂直位移随水位升高而逐渐增大至极值，方向向下。在18～39期，库区维持在较高水位，各监测点的水平位移呈稳定趋势，垂直位移在高水位下逐渐变小，后随着水位升高出现向上位移并增大至极值，方向向上;40～50期，水电站在较高水位下运行，监测点水平位移变化不大，垂直位移随水位变化呈波动状;74期时上游排桩监测基准点遭撞击破坏，上游排各监测点的水平位移监测数据采集工作暂停。总体而言，上游排视准线上监测点相对稳定，水平位移随水位变化而波动，至观测期结束趋于稳定，垂直位移随水位升高而增大，随水位下降而减小，位移为-2～3 mm。

（2）中游排视准线上的监测点位移趋势。在监测的1～17期，库区水位变化较大，监测点水平位移呈波动状，垂直位移随水位升高而逐渐增大至极值，方向向下。在18～39期，库区水位较高，各监测点的水平位移逐渐增大后趋于稳定，垂直位移在高水位下逐渐变小，后随着水位升高出现向上位移并增大至极值，方向向上。自40期开始，水电站在较高水位下运行，监测点位移呈波动状。总体而言，中游排视准线上监测点相对稳定，水平位移随水位变化而波动，至观测期结束趋于稳定，垂直位移随水位升高而增大，随水位下降而减小，位移为-3.2～3.2 mm。

（3）下游一排视准线上的监测点位移趋势。在监测的1～17期，库区水位变化较大，监测点水平位移呈波动状，垂直位移在达到高水位时逐渐向下增大至极值。在18～39期，库区水位较高，各监测点的水平位移逐渐增大后趋于稳定，沉降稳定后呈增大趋势。自40期开始，水电站在较高水位下运行，监测点位移呈波动状。总体而言，下游排视准线上监测点相对稳定，水平位移至观测期结束时趋于稳定，垂直位移随水位升高而增大，随水位下降而减小，位移为-2.8～2.1 mm。