软土地基刚度对水闸底板沉降影响分析

房清清

（费县应急保障服务中心，山东 临沂 273400）

0 概述

在大中型水工建筑物 (如泵站、水闸、船闸等 )的设计、施工及运行的管理过程中, 由于受安装精度和安全运行的要求, 均应考虑结构物基础的沉降[1]。在水电站蓄水之后，水闸前后存在水位差，导致软土地基产生过大或不均匀沉降，从而使水闸与底板之间产生拉应力，严重威胁水闸的安全运行[2]。因此分析地基的沉降规律，是水闸安全运行的关键问题之一[3]。目前，国内外通常采用数值模拟与理论分析[4，5]的方法来分析地基沉降，其中数值模拟在分析地基沉降上有较大的的成本与灾害可预测性优势，是近些年来学者们最常用的研究方法。目前众多文献对特定工程问题的地基沉降进行了很好的分析[6-12]，然而少有文献聚焦对地基沉降影响最大的刚度这一参数进行研究。本文以某水闸工程为例，采用ABAQUS建立了三维水闸与软土地基模型，根据勘查资料，分别对不同土层的刚度进行参数敏感性分析，得到了不同深度土层的刚度对水闸底板各监测点沉降的影响规律。研究结果可为相关工程分析提供参考。

1 模型建立与计算参数

本次研究的水闸位于某水电站，为平底开敞式水闸，最大过闸流量为18 500 m3/s，闸孔净宽为15 m，中墩宽为2.4 m，缝墩宽为3.4 m，边墩宽为2 m，水闸混凝土底板厚2 m。输水廊道尺寸为2.50 m×2.0 m，廊道底高程为▽-1.0 m。闸室内设有工作门槽一道, 检修门槽两道，蓄水位差10 m。本次建立模型时，考虑上游满蓄水的极端条件，水压力则简化为平面荷载施加在底板表面。

经现场初勘查明，钻探深度范围内的土层可分为6个工程地质层：①素填土：可塑或可塑～硬塑状，土质松散，低密实度、高压缩性和低强度，具有湿陷性，层厚6.9 m；②淤泥质土：深灰色，饱和，流塑，高压缩性，有异味，摇震反应慢，捻面较光滑，有光泽，干强度及韧性中等，成分主要为粘粉粒，层厚9.8 m；③粉土层1：灰褐色、灰黄色，可塑状，切面稍有光泽，捻面较光滑，摇震无反应，层厚12.1m；④粉土层2：灰黄色、黄色。以硬塑状为主，局部可～硬塑状，夹礓结石(较富集)，层厚3.8 m；⑤粉土层3：灰黄色，稍湿～湿，中密状，夹礓结石局部夹粉质粘土，层厚12.4 m；⑥轻砂壤土：勘察深度范围内未揭穿该层。图1为本次概化模型，表1为本次计算力学参数。

表1 数值计算参数

图1 水闸地基概化数值模型

2 填土层刚度对底板沉降的影响

本文按照勘探和试验得到的地层顺序和力学参数，对每一土层的弹性模量进行改变，其中素填土层由26 MPa增加到32 MPa；淤泥质土由2.5 MPa增加到3.4 MPa；粉质黏土1由22 MPa增加到30 MPa；粉质黏土2由21 MPa增加到29 MPa；粉质黏土3由40 MPa增加到48 MPa；轻砂壤土由50 MPa增加到58 MPa。除淤泥质土的弹模单次增量为0.2 MPa以外，其余土层单次增量2 MPa。表2为具体试验设计方案。

表2 数值试验设计

3 素填土层刚度变化对底板沉降的影响

图2为素填土层监测点沉降随刚度变化规律，其中监测点1、2、3分别为闸室底板沿着顺河方向的点。如图所示，当素填土的刚度由24 MPa增加到26 MPa时，3个监测点的沉降都出现了明显减小，其中监测点1沉降由1.26 mm降低至1.06 mm，监测点2由1.15 mm降低至0.97 mm，监测点3由1.07 mm降低至0.90 mm。而当继续增加弹模时，3个监测点的沉降几乎不再发生变化，达到临界值。此外，由图还可得出，由于存在蓄水位差，监测点1的沉降明显大于监测点2和监测点3的沉降，底板发生了不利于水闸安全的不均匀沉降，因此在设计时应当仔细考虑不同蓄水工况下底板的不均匀沉降规律来保证水闸安全运行。

图2 素填土层监测点沉降随刚度变化规律

4 淤泥质土层刚度变化对底板沉降的影响

图3为淤泥质土层监测点沉降随刚度变化规律。如图所示，3个监测点的沉降随着淤泥质土刚度的变大呈线性减小的关系。当刚度由2.5 MPa增加到3.3 MPa时，监测点1沉降由1.14 mm降低至1.09 mm，监测点2由1.03 mm降低至0.99 mm，监测点3由0.94 mm降低至0.90 mm。对比于图2中沉降的变化趋势可知，底板沉降对淤泥质的刚度敏感性较大。

图3 淤泥质土层监测点沉降随刚度变化规律

5 粉质黏土层刚度变化对底板沉降的影响

由于粉质黏土层1、2、3都属于粉质黏土类，因此将其进行统一分析。图4为粉土层1的监测点沉降随刚度变化规律。由图可知，对于粉土层1，其沉降随刚度增加分两段变化。当刚度由22 MPa增加到24 MPa时，水闸底板沉降变化微小，呈水平趋势，而当刚度大于24 MPa时，监测点沉降随刚度呈线性减小关系。图5为粉土层2的监测点沉降随刚度变化规律。由图可知，当刚度由21 MPa增加到29 MPa时，监测点1沉降由1.12 mm降低至1.06 mm，监测点2由1.01 mm降低至0.95 mm，监测点3由0.92 mm降低至0.87 mm。虽然总体上监测点的沉降随刚度呈线性减小关系，但斜率的绝对值趋于0，说明水闸底板的沉降对粉土层2的刚度变化敏感性不高。然而由图6可知，粉土层3的变化规律虽然也可分为两段，但趋势与粉土层1相反。图中当刚度由40 MPa增加到48 MPa时，底板沉降监测点呈线性减小的关系，而当刚度大于46 MPa时，监测点沉降达到临界值。其中，当刚度达到48 MPa时，监测点1沉降由1.13 mm降低至1.12 mm，监测点2由1.02 mm降低至1.01 mm，监测点3由0.94 mm降低至0.92 mm。从此例还得出，3层地基虽大类都属于同一类土，但底板沉降对其刚度变化的响应却有着明显差异。

图4 粉质黏土层1监测点沉降随刚度变化规律

图5 粉质黏土层2监测点沉降随刚度变化规律

图6 粉质黏土层3监测点沉降随刚度变化规律

6 轻砂壤土刚度变化对底板沉降的影响

图7给出了轻砂壤土的监测点沉降随刚度变化规律。由图可知，水闸底板沉降与轻砂壤土呈负线性相关，但趋势较为平缓，与图5的变化趋势相近。当轻砂壤土刚度由50 MPa增加到58 MPa时，监测点1沉降由1.26 mm降低至1.06 mm，监测点2由1.16 mm降低至0.97 mm，监测点3由1.08 mm降低至0.90 mm。为直观看出水闸底板沉降对不同土层刚度的响应，将监测点1的沉降对不同土层刚度的变化规律绘制于图8。由图可知，从沉降数值上来看，素填土的刚度在24～26 MPa范围内的是对水闸底板沉降影响最大，而粉质黏土2的刚度对底板沉降整体上影响最小。

图7 轻砂壤土的监测点沉降随刚度变化规律

图8 水闸底板沉降监测点1对不同土层刚度的响应

7 结论

本文以某水闸工程为例，采用ABAQUS建立了三维水闸与软土地基模型，分别分析了不同土层的刚度对水闸底板沉降的影响。根据数值分析结果得到，水闸底板监测点沉降与土层刚度呈负相关，其中与底板相接触的素填土的刚度对其沉降影响最大。此外，随着刚度的增加，地基土的类型不同，底板的沉降规律也有一定差异。其中，底板沉降与淤泥质土、粉质黏土层2、轻砂壤土的刚度呈线性负相关，而与素填土刚度呈先减小后不变的趋势，与粉质黏土层1的刚度呈先不变后线性减小的趋势。