混凝土桩基础在水闸地基处理中防渗稳定性作用分析

王 宁， 刘邦俊， 张 力， 杨 蕾， 陈晶晶

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司， 江苏 南京 210022； 2.江苏省水文水资源勘测局， 江苏 南京 210029)

渗流是指水流在土体孔隙内流动，当水流压力较大且流动水流达到一定规模会产生渗流破坏；常见的情况有管涌、流土、接触冲刷等等[1-3]。如果水闸建筑物地基产生渗漏，若有效水流量较大，会导致出现较大的渗流力而产生渗透破坏，从而影响整个水闸稳定。

混凝土桩基础抗渗性能好、施工简单、承载力强，造价较低，是目前复杂地基条件下水闸建设常用的地基处理方式之一[4-6]。

为研究混凝土桩基础的抗渗作用原理和作用效果，同时为实例工程—江苏省南京市秦淮河某水闸的抗渗性能提供参考，本文借助midas GTS 软件进行建模计算分析。

1 实例工程概况及基本条件

1.1 水闸概况

本文选择江苏省南京市秦淮河某水闸作为实例研究工程。该水闸位于三汊河口处，距离上游新三汊河大桥550 m；水闸闸门结构型式为弧形钢闸门；闸室尺寸为：长37.0 m(顺水流方向)；总宽97.0 m；分2孔跨过秦淮河。

1.2 地质条件

工程区域地层为第四系全新统人工堆积层(Q4ml)填筑土、杂填土、素填土。

1.3 特征水位条件

根据《秦淮河水文监测分析报告》，工程处特征水位(国家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 结构断面

实例工程两侧闸门呈对称分布，基础底下设置4排灌注桩，桩长54 m；外包桩距外部边界为2.25 m；深齿墙厚6 m。实例工程剖面结构见图1。

图1 实例工程剖面结构图(单位：m)

2 三维有限元模型建立及工况

2.1 三维有限元模型建立

借助Midas GTS进行建模分析，采用稳定性最好的六边形[7]进行网格划分，网格间距设为3 m，局部区域(尤其是混凝土桩基部分)进行加密处理。其中，对于弧形的闸门，由于边界为弧形，采用三角网格进行划分。

整体模型共274 262个网格节点和11 892个网格。水闸模型建立及网格划分结果见图2。

图2 水闸模型建立及网格划分

2.2 计算工况

结合以往研究经验，本文选择最低蓄水位和最高蓄水位2个模型进行建模分析。其中最低蓄水位上、下游水位分别为5.5 m和0 m；最高蓄水位上、下游水位分别为7.0 m和3.5 m；分别记为工况一和工况二。

3 渗流计算结果

3.1 天然地基工况

3.1.1 工况一

在未对闸基础进行处理(天然地基)情况下，最低蓄水位工况(工况一)计算结果见图3，由图3分析可知：

(1)在工况一下，上、下游水位分别为5.5 m和0.0 m；上下游总水头差达到5.5 m；经总水头等值线云图(图3(a))可详细查看，在齿墙处和闸底板处，水头分别为3.30 m和1.85 m；即这两处位置与下游的水头差也分别变为3.30 m和1.85 m。

(2)根据水平渗透坡降等值线云图(图3(c))，最大值和最小值分别为0.14和0.00；在三个典型区域(进水口、齿墙、出水口)的水平渗透坡降均远大于其他区域。出现这一现象的原因是因为进、出水口水头差大，因此在齿墙位置只能向下方渗透；渗透至墙底时在水平方向没有阻挡，因此路径由竖直改为水平，渗透路径变形。

(3)根据孔隙水压等值线云图(图3(b))；分析可知分布范围为33.57～-594.8 kN/m2。

图3 天然地基下工况一

3.1.2 工况二

在未对闸基础进行处理(天然地基)情况下，最高蓄水位工况(工况二)计算结果见图4，实例工程基础渗流路径模拟示意见图5。由图4分析可知：

图4 天然地基下工况二

图5 实例工程基础渗流路径模拟示意

(1)在工况二下，上、下游水位分别为7.0 m和3.5 m；上下游总水头差减小为3.5 m；经总水头等值线云图(图4(a))可详细查看，在齿墙处和闸底板处，水头分别为5.50 m和5.02 m；即这两处位置与下游的水头差分别变为2.00 m和1.52 m；比工况一略有下降。

(2)根据水平渗透坡降等值线云图(图4(c))，最大值和最小值分别为0.108和0.00；根据孔隙水压等值线云图(图4(c))，分析可知分布范围为59.17～-560.45 kN/m2。

(3)与工况一相比，上下游水位差减小了1.50 m，渗透坡降减小了0.302。

3.2 闸基础下各工况

本节分析在设置混凝土桩基础后的渗流分析。根据实例工程设计文件，共设置96根灌注桩；灌注桩分4排布设；桩径均为0.50 m。通过混凝土桩基础来减小实例工程基础底部渗流。

3.2.1 工况一

在设置混凝土桩基础情况下，最低蓄水位工况(工况一)计算结果见图6，对比天然地基计算结果分析可知：

图6 闸基础下工况一计算结果分析

(1)在工况一下，上下游水头差仍为5.0 m。在齿墙处和闸底板处，水头分别为3.19 m和1.82 m；在同等水头差情况下，桩位处的水头分布略有下降；较大水头所占比重由天然地基工况下39.6%下降至设置混凝土桩基础工况的3.11%；渗流能量显著下降。

(2)根据水平渗透坡降等值线云图(图6(c))，最明显的渗透坡降区域仍在进水口、齿墙、出水口这3处典型位置。但是水平渗透坡降范围已由天然地基工况下的0.00～0.14下降为0.00～0.125；且取值为0的区域已由天然地基工况下21.2%下降至设置混凝土桩基础工况的39.66%；取值为0.02以上的区域由天然地基工况下48.6%增大至设置混凝土桩基础工况的50.2%。

(3)根据孔隙水等值线云图(图6(b))可知，孔隙水分布范围为33.57～-594.78 kN/m2；这与天然地基工况下33.79～-594.8 kN/m2基本一致。

3.2.2 工况二

在设置混凝土桩基础情况下，最高蓄水位工况(工况二)计算结果见图7，实例工程灌注桩处理工况下基础渗流路径模拟示意见图8。由图7对比天然地基计算结果分析可知：

图7 闸基础地基下工况二计算结果分析

(1)在设置混凝土桩基础工况二下，齿墙底部水头值为5.54 m；根据云图网格节点数据进一步统计可知，在齿墙以上较大水头所占的比值约5.17%，远小于天然地基工况下的41.88%。

(2)根据水平渗透坡降等值线云图(图7(c))可知，水平渗透坡降范围进一步下降至0.00～0.092；较天然地基工况下的0.108有一定幅度下降。

(3)根据(图7(b))可知，孔隙水分布范围为55.83～-560.45 kN/m2；这与天然地基工况下59.17～-560.45 kN/m2基本一致。

图8 实例工程灌注桩处理工况下基础渗流路径模拟示意

5 结 论

本文以江苏省南京市秦淮河某水闸作为实例研究工程，借助迈达斯三维模拟计算软件，采用2组特征工况，对比天然地基和灌注桩处理地基下实例工程的渗透规律分布情况，主要研究成果如下：

(1)在各工况下，渗透坡降与总水头成正比；实例工程最大渗透坡出现在低水位(上下游水头差达到5.5 m)时；最大渗透坡降达到0.14。

(2)在设置灌注桩基础以后，水头分布发生了较大变化，水头分布由天然地基状态下均匀分布变成两头分布较小，中间较大的情况。同时，由于灌注桩基础的防渗作用和中间段对渗流的干扰，大幅降低了最大水头的占比。

(3)根据以往实例工程经验[8-11]，结合本文数模计算成果可知，在设置灌注桩基础后，可以有效减少蓄水阶段的渗透量；减小渗透压力，有利于实例构筑物结构安全。