水泥土搅拌桩复合地基水闸闸室结构分析

施亚运

（长江勘测规划设计研究有限责任公司, 湖北武汉430010）

0 引言

目前，对大中型通用水闸整体结构设计主要是传统的计算和处理方法，即独立计算水闸闸室的底板、闸墩、桥墩、交通桥等构件，没有充分考虑部件之间的互相影响，且难以清楚反映水闸闸室整体结构的真实受力、变形等情况。大型水闸结构的合理计算和处理方法是有限元法，它不仅可以综合处理大型水闸闸室各构件之间的相互作用，还可以处理闸室与主体基础之间的相互作用，准确、直接地反映大型水闸整体结构的真实情况[1，2]。洪湖东分块蓄洪工程项目计算研究时，主要考虑不同闸室各构件之间的相互作用，将不同闸室中闸室底板、闸墩、闸门、排架、交通工作桥和地基作为一个整体，利用有限元软件建模进行整体计算分析。建立水闸结构的有限元计算模型，分析不同工况下水闸整个结构及地基的应力和应变的分布及变化，为水闸主体结构的设计计算提供了坚实、科学的理论依据，并对优化结构设计提供支撑。

1 工程概况

洪湖东分块蓄洪工程主要工程项目包括新建腰口隔堤，长25.949 km；新建套口进洪闸，设计进洪流量8 000 m3/s；新建补元退洪闸，设计退洪流量2 000 m3/s；还建腰口泵站和高潭口二站；新建内荆河和南套沟节制闸，设计流量分别为460 m3/s和80 m3/s；新建新滩口泵站保护工程，修建堤防1.2 km，分洪节制闸1 座，设计流量256 m3/s；东荆河堤加固工程，长42.236 km；洪湖主隔堤加固工程，长12.509 km；水系恢复工程需要新挖和疏挖渠道102.67 km，新建和改造小型排灌泵站17 座，新建和改建小型涵闸31 座等；长江干堤内护坡73.19 km。

套口进洪闸的主要任务是分洪、挡洪。设计分洪流量为8 000 m3/s，闸前分洪水位和堤防设计水位为30.54 m。工程进洪闸为Ⅰ等工程，规模为大（Ⅰ）型，主要建筑物闸室、岸墙为1 级建筑物，两岸连接堤段为长江干堤的一部分，为2 级建筑物，次要建筑物上下游消能设施、两岸翼墙等为3级建筑物，其它临时建筑物为4 级建筑物。根据《中国地震动参数区划图》[3]，工程区的地震基本烈度为Ⅵ度。按《水工建筑物抗震设计标准》[4]中的规定，该工程不进行抗震计算，但采取适当的抗震措施。

闸室为整体开敞式结构，两孔一联，孔口净宽12.00 m，共设44 孔。闸底板高程为25.80 m，闸顶高程33.50 m。闸底板顺流向长22.00 m，厚2.00 m，前后端均设有齿槽，槽深1.00 m。中墩厚1.50 m，缝墩厚1.00 m。闸顶设交通桥，布置在闸门上游侧，桥面宽8.00 m，按汽-20 荷载标准设计。启闭机平台高程40.70 m，启闭机房净高3.50 m。

图1 计算模型

2 计算模型

该工程项目计算模型在搭建时选择笛卡尔直角坐标系，定义X轴方向为沿水流方向，指向下游为正；定义Y轴方向为垂直水流方向，指向左岸为正（平面坐标系选择大坝坐标系）；定义Z轴方向为竖直方向，指向向上为正（高程为1956年黄海高程）。

工程项目计算在搭建空间三维有限元网格模型时，地基模型尺寸大小选取对计算结果和计算需要的资源具有一定影响，为了使模拟结果接近实际情况，同时又不占用较大的计算资源，此次模型地基尺寸选取范围是整个闸室上下游两侧各延长30 m，地基深度取30 m。有限元模型网格剖分主要使用结构化网格剖分与扫掠网格剖分，采用C3D8R 六面体减缩线性积分单元，能够较精确地反应闸室与地基的位移变化。

此次工程项目计算分析整个水闸闸室结构，搭建启闭机房、闸室底板、闸墩、交通桥和局部闸址地基之间的整体三维有限元网格模型。根据工程地基地质条件，闸址区闸基土自上而下分3 层，即粉质壤土层、粉细砂夹粉质壤土和下部的粉细砂层，定义局部闸址地基材料本构关系采用莫尔-库伦弹塑性模型，而桩相对于土体刚度大、变形小，因此桩体材料本构关系运用广义Hooke 定律，采用线弹性材料进行模拟。为方便建模，将直径60 cm 圆形桩等效为53 cm×53 cm 方形桩。闸室的混凝土材料本构关系运用广义Hooke 定律，采用线弹性材料进行模拟。并在闸址地基与闸室底板底面之间设置一对硬接触对，选择底板底面作为主控接触面，闸址地基顶面作为从属接触面，取硬接触对间的摩擦系数f=0.3。同时在有限元计算模型中对闸址基础底面施加全部约束，各个侧面施加水平法向链杆约束。计算模型如图1。

3 主要计算参数

该工程水闸闸室底板采用C20（三）混凝土，闸墩采用C20（二）混凝土，启闭机房楼板采用C30（二）混凝土。按SL 191-2016《水工混凝土结构设计规范》[5]中的规定，闸室物理力学指标见表1。闸址区闸基土自上而下分3 层，即粉质壤土层厚约2.4 m、粉细砂夹粉质壤土层厚约15.0 m、下部粉细砂层厚约12.0 m。闸底板座落在粉质壤土层上。闸址区闸基物理力学指标见表2。

表1 闸室物理力学参数

表2 闸址区闸基物理力学指标

4 荷载及荷载组合

4.1 设计荷载

1）建筑物自重。钢筋混凝土容重取G=ρVg，ρ=2 500 kg/m3。

2）静水压力。作用于结构物表面的静水压力强度P=γh，γ=10 kN/m3。

3）土压力。按静止土压力考虑。

4）扬压力。按渗径系数法计算扬压力，水位按以下方式确定：

设计挡洪工况，上游30.54 m，下游无水；校核挡洪工况，上游31.36 m，下游无水；分洪工况，外江30.54 m，内湖低于29.00 m，进洪流量为8 000 m3/s；施工工况，上游无水，下游无水。

5）人行荷载。平台板上按人行荷载5 kN/m2考虑。

6）车道荷载。交通桥上按均布荷载10.5 kN/m2考虑。

7）其它依照规范取值。

4.2 荷载组合

泄水闸计算荷载组合见表3。

表3 泄水闸计算荷载组合表

5 计算结果及分析

5.1 应变分析

天然地基情况下水闸整体式底板的最大沉降量可以达到20～30 cm，根据SL 265-2016《水闸设计规范》[6]，天然土质地基上水闸地基最大沉降量不宜超过15 cm，相邻部位的最大沉降差不宜超过5 cm。根据闸室地基沉降和地基地质情况，虽然地基应力小于地基允许承载力，但地基沉降量大于水闸规范要求，因此需要进行地基处理，减小闸基沉降量。土基上常用的地基处理方法有垫层法、强力夯实法、振动水冲法、桩基础、沉井基础、深层水泥搅拌桩和高压喷射法等[7，8]。

闸址地基为粉质壤土，厚度较小且分布不均匀，经综合考虑，可选择深层水泥搅拌桩、钻孔灌注桩和预应力管桩3 种方案比较。钻孔灌注桩和预应力管桩方案，由于桩体刚度远大于桩间土刚度，桩体和桩间土变形不协调，导致绝大部分上部荷载由桩体承担，设计中一般不考虑桩间土承担荷载，因此底板可能与建基面之间脱空，容易形成渗漏通道；而水泥搅拌桩方案，处理后的地基为复合地基，桩与桩间土变形协调，不存在脱空问题，处理后的复合地基既能满足地基沉降要求，又能进一步提高底板与地基间的摩擦力。根据以往工程经验，3 种方案中，地基处理造价水泥搅拌桩最低、钻孔灌注桩最高，预应力混凝土管桩居中。经综合考虑，地基处理推荐采用水泥搅拌桩法。

水泥搅拌桩直径初步采用60 cm，水泥掺量为15%，桩间套接15 cm。初步选取搅拌桩长为10 m，搅拌桩采取格栅式布置，格栅间距取7.00 m 左右。水闸闸基搅拌桩分块与上部两孔一联结构相对应，分块尺寸为22.0 m×27.5 m（顺水流向×横流向），每个分块内顺水流向布置4排，排间距7.00 m；横流向布置5 排，其中在闸墩对应位置各布置1 排，底板下布置2 排，排间距分别为6.25 m 和7.00 m，每个格栅中间还布置4 根搅拌桩，以增加地基的均匀性，每个闸室总共布置搅拌桩540 根。上述格栅式布置后，泄水闸搅拌桩置换率约20%。采用水泥搅拌桩处理后，再次进行模拟计算，总沉降量约为5.5 cm，满足水闸对沉降的控制要求。Z方向应变如图2。

图2 设计工况Z 方向应变图

5.2 应力分析

闸室基底应力小于经过修正的地基允许承载力，应力不均匀系数亦满足规范要求。但闸底板顶部和齿墙等局部拉应力较大，因此需加强底板配筋，增加底板的刚度。利用已计算结果配置适当钢筋，结构强度和裂缝均可满足要求，Y方向应力如图3。闸室基底应力计算成果见表4。

图3 设计工况Y 方向应力图

6 结论

此次研究利用三维有限元数值模拟的方法对洪湖东分块蓄洪工程套口进洪闸进行模拟计算，得出：

表4 闸室基底应力计算成果表

1）从应变计算结果分析，水闸闸室的位移主要表现为沉降位移，虽然地基应力小于地基允许承载力，但地基沉降量大于水闸规范要求，因此需要进行地基处理。采用水泥搅拌桩处理后再次进行模拟计算，总沉降量约为5.5 cm，满足水闸对沉降的控制要求。

2）从应力计算结果分析，在各种工况下，闸室的局部存在应力集中现象，闸底板顶部、底板与闸墩结合部位和齿墙等局部拉应力较大，因此需加强底板配筋，增加底板的刚度。

3）目前此项目闸室结构已施工完成且状况良好,底板及闸墩等部位表面基本无裂缝，沉降量也满足规范要求。