混凝土桩基在虞山水闸地基处理中防渗效果分析

◇重庆市水利电力建筑勘测设计研究院 张 林

水闸起着拦水阻流作用，在闸室上下游有明显的渗流差。本文以江苏省苏州常熟市虞山水闸为实例工程，研究混凝土桩基对防渗阻水的可行性以及作用效果。本文借助三维有限元软件，分析了天然地基和混凝土灌注桩处理地基下实例工程的渗透场分布状况，研究结果显示，混凝土灌注桩能有效减小工程区域最大水头分布，同时还能保证水闸自身结构稳定，作用明显。

1 工程基本介绍

1.1 基本介绍

实例工程为江苏省苏州常熟市虞山水闸，该闸建于2004年，位于申张线与白鹤滃交汇口下游850 m，黄埔路跨申张线桥梁上游1220 m处。水闸闸门采用钢质弧形结构，闸室尺度37×100 m（闸室长度×闸室宽度）。考虑到秦淮河河面较宽，为减小对河道水流形态的影响，实例工程采用2孔闸室跨过秦淮河。

1.2 特征水位条件

虞山水闸位于申张线（袁家桥～虞山闸段），根据苏州河道技术等级表，换算成吴淞高程后，特征水位如下：

1.3 立面设计

原设计方案为设置两排对称闸门，同时在每个闸门下方各设置两排桩基，桩长均为54 m，内外部的桩间距为26.25 m。

2 数模计算分析

2.1 数模设计与建立

采用迈达斯进行建模分析，模型示意图见图1（1），为保证计算结果流畅与收敛，模型网格划分采用正方体网格；模型下部桩基效果图见图1（2）。

图1 数学模型建立及网格划分

2.2 计算工况

计算工况选择见本文表1。

表1 实例工程特征水位

3 渗流效果对比

采用原设计方案与添加混凝土桩基后的两组模型进行效果对比。

3.1 原设计方案下计算结构分析

（1）最低蓄水位。

在最低蓄水位工况下，整体渗流计算结果详见图2，分析图2。①在最低蓄水位工况下，实例工程在原设计方案下总水头差为5.5 m；其余关键部分的最大水头差计算结果如下：齿墙处最大水头差为3.15 m；水闸底板处最大水头差也达到1.83 m。②总体来看，进水口的平均水头渗透坡降为0.142；出水口的平均水头渗透坡降为0.147；均远大于其他区域；齿墙处的的平均水头渗透坡降略小于进水口与出水口，达到0.094；但也远大于其他剩余区域的平均值（0.046）。③在该工况下，工程区域内的孔隙水压力的分布范围为38.64～-586.12 kN/m2。

图2 工况一渗透压力计算结果（天然地基）

（2）最高蓄水位。①总体来看，原方案下，最低蓄水位与最高蓄水位的渗透水压分布规律基本一致。②在最高蓄水位工况下，实例工程在原设计方案下总水头差为3.5 m，其余关键部分的最大水头差计算结果如下：齿墙处最大水头差为2.05 m；水闸底板处最大水头差为1.51 m。③进水口的平均水头渗透坡降为0.05；出水口的平均水头渗透坡降为0.112；齿墙处的的平均水头渗透坡降略小于进水口与出水口，达到0.075，但也远大于其他剩余区域的平均值（0.031）。④在该工况下，工程区域内的孔隙水压力的分布范围为62.35～-558.14 kN/m2。

图3 工况二渗透压力计算结果（天然地基）

3.2 增设混凝土灌注桩效果分析

为探讨混凝土桩基础对实例工程防渗结果影响，本工程在实例工程基础上补充增设了共96根混凝土灌注桩；灌注桩在原桩基基础布设上分4排进行补充，灌注桩桩径与原设计方案一致，均设为0.50m。分析灌注桩对渗流的效果。在增设混凝土灌注桩方案下，计算结果如下：

（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：

a、由于上下游水位为边界条件，因此在工况下，增设混凝土灌注桩后上下游最大水位差仍为5.5 m。其余关键部分的最大水头差计算结果如下：齿墙处最大水头差为3.10 m；水闸底板处最大水头差为1.80 m。在相同的对比条件下，水头较大（水头大于1 m的区域）所占整体比重由原方案的39.15%下降至增设混凝土灌注桩方案下的7.21%；渗透状况有显著改善。

b、水口的平均水头渗透坡降为0.138；出水口的平均水头渗透坡降为0.139；齿墙处的的平均水头渗透坡降略小于进水口与出水口，达到0.092；其他剩余区域的平均值为0.048。但水头渗透坡降为0的区域由原方案的20.25%增大至增设混凝土灌注桩方案下的35.87%；水头渗透坡降为0.05以上的区域由原方案的50.29%下降至增设混凝土灌注桩方案下的37.19%。整体渗透分布显著改善。

（2）工况二。

a、工况二下，增设混凝土灌注桩后上下游最大水位差仍为3.5 m。其余关键部分的最大水头差计算结果如下：齿墙处最大水头差为2.03 m；水闸底板处最大水头差为1.49 m。在相同的对比条件下，水头较大（水头大于1 m的区域）所占整体比重由原方案的40.25%下降至增设混凝土灌注桩方案下的9.65%；渗透状况有显著改善。

b、水口的平均水头渗透坡降为0.094；出水口的平均水头渗透坡降为0.106；齿墙处的的平均水头渗透坡降略小于进水口与出水口，达到0.081；其他剩余区域的平均值为0.044。但水头渗透坡降为0的区域由原方案的21.66%增大至增设混凝土灌注桩方案下的34.27%；水头渗透坡降为0.05以上的区域由原方案的52.15%下降至增设混凝土灌注桩方案下的36.67%。整体渗透分布显著改善。

图5 工况二渗透压力计算结果（增设混凝土桩基）

4 结论

本文以江苏省苏州常熟市虞山水闸作为实例研究工程，进行建模分析，研究了天然地基和灌注桩处理地基下的渗流结果。研究结果显示，在增设混凝土灌注桩进行防渗处理后，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，平均渗透坡降显著下降，同时大幅降低了最大水头的占比，减小了实例工程的渗透压力。由此可见，设置混凝土灌注桩进行防渗处理合理、有效、可行。