軟土地基剛度對水閘底板沉降影響分析

房清清

（費縣應急保障服務(wù)中心，山東 臨沂 273400）

0 概述

在大中型水工建筑物 (如泵站、水閘、船閘等 )的設(shè)計、施工及運行的管理過程中, 由于受安裝精度和安全運行的要求, 均應考慮結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的沉降[1]。在水電站蓄水之后，水閘前后存在水位差，導致軟土地基產(chǎn)生過大或不均勻沉降，從而使水閘與底板之間產(chǎn)生拉應力，嚴重威脅水閘的安全運行[2]。因此分析地基的沉降規(guī)律，是水閘安全運行的關(guān)鍵問題之一[3]。目前，國內(nèi)外通常采用數(shù)值模擬與理論分析[4，5]的方法來分析地基沉降，其中數(shù)值模擬在分析地基沉降上有較大的的成本與災害可預測性優(yōu)勢，是近些年來學者們最常用的研究方法。目前眾多文獻對特定工程問題的地基沉降進行了很好的分析[6-12]，然而少有文獻聚焦對地基沉降影響最大的剛度這一參數(shù)進行研究。本文以某水閘工程為例，采用ABAQUS建立了三維水閘與軟土地基模型，根據(jù)勘查資料，分別對不同土層的剛度進行參數(shù)敏感性分析，得到了不同深度土層的剛度對水閘底板各監(jiān)測點沉降的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為相關(guān)工程分析提供參考。

1 模型建立與計算參數(shù)

本次研究的水閘位于某水電站，為平底開敞式水閘，最大過閘流量為18 500 m3/s，閘孔凈寬為15 m，中墩寬為2.4 m，縫墩寬為3.4 m，邊墩寬為2 m，水閘混凝土底板厚2 m。輸水廊道尺寸為2.50 m×2.0 m，廊道底高程為▽-1.0 m。閘室內(nèi)設(shè)有工作門槽一道, 檢修門槽兩道，蓄水位差10 m。本次建立模型時，考慮上游滿蓄水的極端條件，水壓力則簡化為平面荷載施加在底板表面。

經(jīng)現(xiàn)場初勘查明，鉆探深度范圍內(nèi)的土層可分為6個工程地質(zhì)層：①素填土：可塑或可塑～硬塑狀，土質(zhì)松散，低密實度、高壓縮性和低強度，具有濕陷性，層厚6.9 m；②淤泥質(zhì)土：深灰色，飽和，流塑，高壓縮性，有異味，搖震反應慢，捻面較光滑，有光澤，干強度及韌性中等，成分主要為粘粉粒，層厚9.8 m；③粉土層1：灰褐色、灰黃色，可塑狀，切面稍有光澤，捻面較光滑，搖震無反應，層厚12.1m；④粉土層2：灰黃色、黃色。以硬塑狀為主，局部可～硬塑狀，夾礓結(jié)石(較富集)，層厚3.8 m；⑤粉土層3：灰黃色，稍濕～濕，中密狀，夾礓結(jié)石局部夾粉質(zhì)粘土，層厚12.4 m；⑥輕砂壤土：勘察深度范圍內(nèi)未揭穿該層。圖1為本次概化模型，表1為本次計算力學參數(shù)。

表1 數(shù)值計算參數(shù)

圖1 水閘地基概化數(shù)值模型

2 填土層剛度對底板沉降的影響

本文按照勘探和試驗得到的地層順序和力學參數(shù)，對每一土層的彈性模量進行改變，其中素填土層由26 MPa增加到32 MPa；淤泥質(zhì)土由2.5 MPa增加到3.4 MPa；粉質(zhì)黏土1由22 MPa增加到30 MPa；粉質(zhì)黏土2由21 MPa增加到29 MPa；粉質(zhì)黏土3由40 MPa增加到48 MPa；輕砂壤土由50 MPa增加到58 MPa。除淤泥質(zhì)土的彈模單次增量為0.2 MPa以外，其余土層單次增量2 MPa。表2為具體試驗設(shè)計方案。

表2 數(shù)值試驗設(shè)計

3 素填土層剛度變化對底板沉降的影響

圖2為素填土層監(jiān)測點沉降隨剛度變化規(guī)律，其中監(jiān)測點1、2、3分別為閘室底板沿著順河方向的點。如圖所示，當素填土的剛度由24 MPa增加到26 MPa時，3個監(jiān)測點的沉降都出現(xiàn)了明顯減小，其中監(jiān)測點1沉降由1.26 mm降低至1.06 mm，監(jiān)測點2由1.15 mm降低至0.97 mm，監(jiān)測點3由1.07 mm降低至0.90 mm。而當繼續(xù)增加彈模時，3個監(jiān)測點的沉降幾乎不再發(fā)生變化，達到臨界值。此外，由圖還可得出，由于存在蓄水位差，監(jiān)測點1的沉降明顯大于監(jiān)測點2和監(jiān)測點3的沉降，底板發(fā)生了不利于水閘安全的不均勻沉降，因此在設(shè)計時應當仔細考慮不同蓄水工況下底板的不均勻沉降規(guī)律來保證水閘安全運行。

圖2 素填土層監(jiān)測點沉降隨剛度變化規(guī)律

4 淤泥質(zhì)土層剛度變化對底板沉降的影響

圖3為淤泥質(zhì)土層監(jiān)測點沉降隨剛度變化規(guī)律。如圖所示，3個監(jiān)測點的沉降隨著淤泥質(zhì)土剛度的變大呈線性減小的關(guān)系。當剛度由2.5 MPa增加到3.3 MPa時，監(jiān)測點1沉降由1.14 mm降低至1.09 mm，監(jiān)測點2由1.03 mm降低至0.99 mm，監(jiān)測點3由0.94 mm降低至0.90 mm。對比于圖2中沉降的變化趨勢可知，底板沉降對淤泥質(zhì)的剛度敏感性較大。

圖3 淤泥質(zhì)土層監(jiān)測點沉降隨剛度變化規(guī)律

5 粉質(zhì)黏土層剛度變化對底板沉降的影響

由于粉質(zhì)黏土層1、2、3都屬于粉質(zhì)黏土類，因此將其進行統(tǒng)一分析。圖4為粉土層1的監(jiān)測點沉降隨剛度變化規(guī)律。由圖可知，對于粉土層1，其沉降隨剛度增加分兩段變化。當剛度由22 MPa增加到24 MPa時，水閘底板沉降變化微小，呈水平趨勢，而當剛度大于24 MPa時，監(jiān)測點沉降隨剛度呈線性減小關(guān)系。圖5為粉土層2的監(jiān)測點沉降隨剛度變化規(guī)律。由圖可知，當剛度由21 MPa增加到29 MPa時，監(jiān)測點1沉降由1.12 mm降低至1.06 mm，監(jiān)測點2由1.01 mm降低至0.95 mm，監(jiān)測點3由0.92 mm降低至0.87 mm。雖然總體上監(jiān)測點的沉降隨剛度呈線性減小關(guān)系，但斜率的絕對值趨于0，說明水閘底板的沉降對粉土層2的剛度變化敏感性不高。然而由圖6可知，粉土層3的變化規(guī)律雖然也可分為兩段，但趨勢與粉土層1相反。圖中當剛度由40 MPa增加到48 MPa時，底板沉降監(jiān)測點呈線性減小的關(guān)系，而當剛度大于46 MPa時，監(jiān)測點沉降達到臨界值。其中，當剛度達到48 MPa時，監(jiān)測點1沉降由1.13 mm降低至1.12 mm，監(jiān)測點2由1.02 mm降低至1.01 mm，監(jiān)測點3由0.94 mm降低至0.92 mm。從此例還得出，3層地基雖大類都屬于同一類土，但底板沉降對其剛度變化的響應卻有著明顯差異。

圖4 粉質(zhì)黏土層1監(jiān)測點沉降隨剛度變化規(guī)律

圖5 粉質(zhì)黏土層2監(jiān)測點沉降隨剛度變化規(guī)律

圖6 粉質(zhì)黏土層3監(jiān)測點沉降隨剛度變化規(guī)律

6 輕砂壤土剛度變化對底板沉降的影響

圖7給出了輕砂壤土的監(jiān)測點沉降隨剛度變化規(guī)律。由圖可知，水閘底板沉降與輕砂壤土呈負線性相關(guān)，但趨勢較為平緩，與圖5的變化趨勢相近。當輕砂壤土剛度由50 MPa增加到58 MPa時，監(jiān)測點1沉降由1.26 mm降低至1.06 mm，監(jiān)測點2由1.16 mm降低至0.97 mm，監(jiān)測點3由1.08 mm降低至0.90 mm。為直觀看出水閘底板沉降對不同土層剛度的響應，將監(jiān)測點1的沉降對不同土層剛度的變化規(guī)律繪制于圖8。由圖可知，從沉降數(shù)值上來看，素填土的剛度在24～26 MPa范圍內(nèi)的是對水閘底板沉降影響最大，而粉質(zhì)黏土2的剛度對底板沉降整體上影響最小。

圖7 輕砂壤土的監(jiān)測點沉降隨剛度變化規(guī)律

圖8 水閘底板沉降監(jiān)測點1對不同土層剛度的響應

7 結(jié)論

本文以某水閘工程為例，采用ABAQUS建立了三維水閘與軟土地基模型，分別分析了不同土層的剛度對水閘底板沉降的影響。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果得到，水閘底板監(jiān)測點沉降與土層剛度呈負相關(guān)，其中與底板相接觸的素填土的剛度對其沉降影響最大。此外，隨著剛度的增加，地基土的類型不同，底板的沉降規(guī)律也有一定差異。其中，底板沉降與淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土層2、輕砂壤土的剛度呈線性負相關(guān)，而與素填土剛度呈先減小后不變的趨勢，與粉質(zhì)黏土層1的剛度呈先不變后線性減小的趨勢。