基于Midas GTS的不同地基处理方法下水闸结构应力研究

杜锦宇,贺小康

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

水闸是一种低水头的水工建筑物，一般具有挡水和泄水的双重作用，在水利工程中应用十分广泛。广东省濒临南海，平原、滨海区河网密布，闸址区域多为淤泥、淤泥质土、粉细砂、粉质粘土等软弱地基，存在沉降量大和承载力不足等问题，若处理不好将对工程带来严重影响[1]。

根据广东省已建水闸的工程经验，省内水闸地基处理方案一般采用复合地基或刚性砼桩基础。复合地基方案具有良好的沉降变形协调性和经济优势，桩基础方案则可大幅度减小沉降量[1]，项目在选定地基处理方案时一般仅对上述两种处理方案的承载力、沉降量、设备条件和投资方面进行对比，而往往忽略了两种处理方案水闸结构应力大小和应力分布上的差异[2]。

为探明不同的地基处理方法对水闸结构应力分布的影响，本文以石角咀水闸重建工程中水闸的地基处理为例，通过Midas GTS三维有限元分析软件，对采用复合地基和采用桩基处理的闸室进行分析，得出两者的水闸结构应力分布并进行比较分析，为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

石角咀水闸位于中珠联围末端、前山水道的出海口地区(珠海境内)，是一宗涵盖挡潮、排水、御咸、航运和交通等功能的大型水利工程，主要建筑物包括拦河水闸、船闸、泵站、市政桥及两岸连接道路等，其位置示意见图1。

图1 项目位置示意

1.1 水闸布置

石角咀水闸重建工程中的新建水闸，闸室长为23.00 m，单孔净宽为12.00 m，闸底高程为-3.50 m，闸顶高程为6.30 m。闸室结构采用整体式，两孔一联。闸室上游侧设工作闸门，闸门为平板钢闸门，启闭设备为顶升式液压启闭机。

1.2 工程地质

根据工程地质勘探资料，闸室建基面以下地层：

① 泥质中粗砂层，稍密状，分布厚度为3～5 m，地基承载力建议值fak=100～140 kPa；

② 粘土层，稍密状，分布厚度为6～7 m，地基承载力建议值fak=140～160 kPa；

③ 全风化花岗岩层，地基承载力建议值fak=200～220 kPa，地基承载力较高，但埋深较深，可作为复合桩基础桩端持力层。

1.3 地基处理

经计算，闸室的基底应力大于①泥质中粗砂层的地基承载力建议值，需进行地基处理，地基处理方案考虑采用桩基础或复合地基。

1) 桩基础方案

桩基础处理方法中常用于水闸地基处理的有钻孔灌注桩、PHC管桩等[3]。由于桩身的弹性模量较大，桩身压缩量小，在桩端进入可靠的持力层后，水闸建筑物的沉降量大大减小[4-5]。本项目地基处理比选中桩基础方案采用桩径为Φ600PRC管桩，布设于闸底板下，采用正方形布置，布桩形式为7排×9排(顺水流排数×垂直水流排数)，布桩桩距为3.6 m×3.4 m(顺水流排距×垂直水流排距)，桩长为17 m，桩持力层为5-1全风化层。

2) 复合地基方案

复合地基处理方法中常于水闸地基处理的有水泥土搅拌桩、旋喷桩、水泥粉煤灰碎石桩等[6]。复合地基可使在水闸运行时基础底面与复合地基之间沉降始终保持一致，利用闸底板与复合地基间的摩擦力抵抗水平荷载，同时对防止不均匀沉降而引发的渗透破坏比较有利[7-9]。本项目地基处理比选中复合地基方案采用桩径为Φ500的水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)，布设于闸底板下，采用正方形布置，桩的纵横间距为2 m，桩长为13 m。

两种地基处理方案下水闸的纵剖面布置见图2。

2 模型构建

Midas GTS是一种结构设计有限元分析软件，具有建模简单快捷且结果可靠等优点，在水利、土木等领域中被广泛应用[10-12]。本文利用该分析软件，构建数值模拟网络模型，网络模型轴侧示意见图3，模型材料的参数见表1。

a 桩基方案

a 完建情况

表1 模型材料参数

2.1 基本假定

1) 闸室和闸门的受力和变形都处于弹性范围内。

2) 复合地基方案中闸底板弹性地基以曲面弹簧模拟。

3) 桩基方案中基桩与闸底板固接，且假定竖直方向位移为0。

2.2 边界条件

1) 水闸左右侧设限制Y方向位移的约束。

2) 水闸底板设限制X方向位移的约束。

3) 桩基方案中基桩与闸底板连接处设固定约束。

2.3 分析情况、荷载及荷载组合

分析情况包括完建情况和正常运用情况。计算荷载主要包括闸室自重、检修桥自重、水重力、闸门重力、静水压力、扬压力。各计算情况的荷载组合见表2。

表2 荷载组合

3 模拟结构应力分析

3.1 不同地基处理方法对水闸底板应力影响

分别对桩基方案和复合地基方案进行分析，不同方案的Y方向应力分布见图4～5，从Y方向应力分布轴侧图可以看出，完建情况和正常运用情况下，两种地基处理方案各闸孔中部对应的闸底板面层和闸墩对应的闸底板底层均出现拉应力。桩基方案闸底板底层与桩顶接触处出现压应力。根据Y方向应力分布图应力分布轴侧图，整体而言，桩基方案闸底板的应力分布更为均匀。

a 桩基方案

a 桩基方案

不同方案闸底板底层的Y方向应力分布平面见图6～7，桩基方案闸底板底层与桩顶接触处会出现应力集中的现象，在正常运用情况下，由于扬压力的作用，应力集中现象有所减缓。

a 桩基方案

a 桩基方案

选取距离上游18 m的剖面进行分析，剖面上取5个特征节点(见图8)，各特征节点应力值见表3。

图8 闸底板特征节点分布示意

表3 各节点Y方向应力 kPa

从表3中统计的各节点Y方向的应力大小可看出，桩基方案闸底板所受的拉应力比复合地基方案小。在完建情况和正常运用情况下，节点2和节点4所受拉应力与复合地基方案相比降低了50%～53%，节点1 和节点5与复合地基方案相比降低了10%～14%。

3.2 不同地基处理方法对水闸闸墩应力影响

分别对桩基方案和复合地基方案进行分析，不同方案的Z方向应力分布见图9～10，从Z方向应力分布图可以看出，无论是完建情况还是正常运用情况，两种地基处理方案中墩和缝墩与底板连接处均受压，整体而言，桩基方案闸墩的应力分布更为均匀。

a 桩基方案

a 桩基方案

选取距离上游18 m的剖面进行分析，剖面上取6个特征节点(见图11)，各特征节点应力值见表4。

图11 闸墩特征节点分布示意

表4 各节点Z方向应力 kPa

从表4中统计的各节点Z方向的应力大小可看出，桩基方案中墩和缝墩所受的压应力大于复合地基方案。在完建情况下，桩基方案缝墩外侧(节点1、6)压应力与复合地基方案相比提高了50%，正常运用情况下提高了35%。两个方案在不同计算情况下，其他特征节点(节点2、3、4、5)应力值较为接近。

4 结语

本文以石角咀水闸为实例对象，借助Midas GTS/NX三维有限元分析软件，建立三维数学模型，详细分析了水闸不同地基处理方案下完建情况和正常运用情况的应力分布状态，可以得到以下结论：

1) 在完建情况和正常运用情况下，桩基方案闸底板和闸墩的应力分布与复合地基方案相比更为均匀。桩基方案闸底板所受的拉应力比复合地基方案小，可减小闸底板的配筋面积。桩基方案闸墩所受的压应力比复合地基方案大，但远小于C40砼抗压强度。因此，从水闸整体结构应力的角度进行分析，桩基方案更具优势。

2) 桩基方案闸底板底层与桩顶接触处出现应力集中的现象，在正常运用情况扬压力的作用下，应力集中现象有所减缓。应力集中对构件的疲劳寿命影响较大，因此，若采用桩基方案，闸底板底层与桩顶接触处应采取减缓措施。