德昌水閘深厚覆蓋層地基滲流穩(wěn)定及應力應變分析

張樹森 何后敏 成軍

摘 ?要：深厚覆蓋層閘基的滲透變形和不均勻沉降會直接影響到上部水閘結(jié)構(gòu)的安全。該文采用有限元數(shù)值模擬方法，對德昌水閘深厚覆蓋層閘基進行滲流穩(wěn)定分析和應力應變分析；根據(jù)SL 265—2016《水閘設計規(guī)范》對閘基沉陷進行復核計算。研究結(jié)果表明，德昌水閘深厚覆蓋層經(jīng)工程處理后，其滲流穩(wěn)定性、地基承載力、地基變形及沉降量均滿足規(guī)范要求。研究成果為該工程設計提供依據(jù)，對類似工程具有參考價值。

關鍵詞：深厚覆蓋層；滲流穩(wěn)定；應力應變；水閘；地基

中圖分類號：TV221.2 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0116-04

Abstract： The seepage deformation and uneven settlement of the gate foundation with deep overburden will directly affect the safety of the upper sluice structure. In this paper， the finite element numerical simulation method is used to analyze the seepage stability and stress-strain of the deep overburden foundation of Dechang sluice， and the settlement of the sluice foundation is checked and calculated according to the Code for Design of Sluice. The research results show that after engineering treatment， the seepage stability， foundation bearing capacity， foundation deformation and settlement of the deep cover of Dechang sluice meet the requirements of the code. The research results provide a basis for the design of this project and have reference value for similar projects.

Keywords： deep overburden; seepage stability; stress and strain; sluice; foundation

深厚覆蓋層閘基的滲透變形和不均勻沉降會直接導致上部水閘結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞，因此開展深厚覆蓋層閘基的滲流穩(wěn)定及變形特征研究至關重要。近年來不少學者采用模型試驗和數(shù)值模擬的方法進行了深厚覆蓋層閘基的相關研究。唐茂穎等[1]通過地質(zhì)力學模型綜合法試驗，揭示了深厚覆蓋層上丹巴閘壩的變形規(guī)律、閘壩基礎失穩(wěn)破壞特征和機理，評價了丹巴閘壩的整體穩(wěn)定安全性；劉彥琦等[2]采用大型有限元分析軟件ANSYS，研究了陰坪水電站在深厚覆蓋層及復雜地基情況下，閘基在各典型工況的滲透特性，并對各覆蓋層滲透性、防滲墻深度及水平鋪蓋長度進行了敏感性分析；王登銀等[3]采用三維有限元法對深厚覆蓋層上高混凝土閘壩進行了靜力特性研究，分析了閘基沉降、不均勻變形和閘基的穩(wěn)定性；陳凸立等[4]基于ANSYS有限元分析軟件，采用E-B本構(gòu)模型和等效黏彈性動力本構(gòu)，研究了某閘壩深厚覆蓋層的動力特性及穩(wěn)定性；魏匡民等[5]對采用三維有限元方法，研究了復雜巨厚覆蓋層高閘壩基礎的變形特征和控制措施；蔣達等[6]利用商業(yè)軟件ANSYS，引入非線性接觸單元，分析了深覆蓋層水閘的沉降特性。

安寧河德昌城區(qū)閘壩工程閘址位于安寧河德昌城區(qū)河段二橋下游約470 m處，正常蓄水位1 330.20 m，控制集水面積7 170 km2，是為滿足城區(qū)景觀和交通要求而設置的一處攔河閘壩工程。該閘壩工程為全閘方案，全長148.0 m，設計布置10孔12.0 m×4.2 m的平板鋼閘門，最大閘高11.7 m，閘室順水流方向長14.5 m，閘前設15 m長的水平防滲鋪蓋，閘后設33.0 m長的消力池和40 m長的海漫；垂直水流方向沿閘底板下設置懸掛式高噴防滲墻至1 307.00～1 310.00 m，軸線長248.0 m，并對基礎范圍內(nèi)的純砂層進行高噴處理。

1 ?閘址工程地質(zhì)條件

工程區(qū)河段為不對稱“U”型河谷，兩岸Ⅰ級階地連續(xù)分布，其地面高程為1 327.20～1 329.90 m，河流從西北向東南流，河道順直展布，河流平緩。根據(jù)現(xiàn)場勘查，閘軸線分布有地表覆蓋第四系沖洪積漂砂卵礫石和中砂層，厚約29.8～39.5 m。閘基表層覆蓋漂砂卵礫石土，厚8.4～19.1 m。據(jù)原位N120超重型動力觸探測試其上層漂砂卵礫石土上1.8～2.4 m結(jié)構(gòu)松散，承載力fk=130～190 kPa，不宜直接選作壩基持力層；中3.4～4.5 m結(jié)構(gòu)稍密，承載力250～350 kPa，壓縮模量15～20 MPa，可選作壩基持力層；下4.5 m為中密狀漂砂卵礫石土，承載力fk=400～650 kPa，滿足壩基持力要求。中部中砂層厚4.04～26.0 m，原位標貫測試其結(jié)構(gòu)呈中密狀，局部密實狀，承載力200～260 kPa，可選作壩基持力層，但砂層滲透性較強，在水的作用下易出現(xiàn)流土滲透變形破壞，是不穩(wěn)定的地層。下伏第三系昔格達組（N2x）泥巖，強風化帶厚度1.50～2.00 m，承載力250～800 kPa，是堤基良好持力層。

由于工程區(qū)覆蓋層深厚，層次結(jié)構(gòu)較復雜，第四系主要分布現(xiàn)代河床及漫灘，為沖洪積形成漂卵礫石土和中粗砂層、人工堆積和第三系昔格達組泥巖。閘基為深厚覆蓋層時，易導致地基的滲透破壞及不均勻變形問題，因此應開展地基滲流穩(wěn)定及變形特征的研究，確保水閘工程的安全性。

2 ?閘基的滲流穩(wěn)定分析

泄洪沖砂閘下為深厚覆蓋層，地表覆蓋第四系、沖洪積漂砂卵礫石和中砂層，河床覆蓋層厚29.8～39.5 m，基本資料及計算參數(shù)詳見表1。

表1 ?滲流計算參數(shù)表

由于本工程擋水高度只有4.2 m，根據(jù)工程地基特點，采用水平防滲和懸掛式帷幕聯(lián)合防滲方案。計算軟件采用河海大學工程力學研究所有限元法計算程序AutoBANK5.5對該防滲方案進行計算，只計算穩(wěn)定滲流工況（控制工況），即上游為正常蓄水位1 330.20 m，下游無水。取泄洪沖砂閘作為控制斷面，進行滲流穩(wěn)定計算。計算成果見表2，泄洪沖砂閘基礎滲流水頭等值線和滲流水力比降示意圖分別如圖1和圖2所示。

從滲流計算成果表和成果圖可知，閘基砂卵石滲流出溢最大水力比降為0.16，中砂層內(nèi)水力比降為0.05，均小于砂卵石和中砂層的允許比降0.18和中砂0.30的要求，故閘基滲流是穩(wěn)定安全的。

3 ?閘基的應力應變分析

因本工程閘基為砂卵石和砂層，基礎條件較差，采用河海大學工程力學研究所有限元法計算程序AutoBANK5.5對泄洪沖砂段進行應力應變計算，計算工況采用蓄水期+地震工況作為控制工況，計算結(jié)果簡圖如圖3至圖5所示。

由于閘基礎下砂卵石和砂層厚度較厚，如基礎不采取工程措施，建閘后，地基沉降量將超過18 cm，不滿足規(guī)范要求，故需對地基進行加固處理?；A處理后，從計算簡圖可知，閘基在正常需水遇地震工況下豎向位移為13 cm，水平位移為12 cm，閘基位移滿足規(guī)范要求。閘基最大豎向應力為186.04 kPa，小于稍密砂卵石層200 kPa承載能力要求。

4 ?閘壩沉陷復核計算

根據(jù)地勘成果，閘基砂和砂卵石物理力學指標見表3。

表3 ?閘基砂和砂卵石物理力學指標表

本工程泄洪沖砂閘基礎為含漂砂卵石和砂互層，厚度為29.8～39.5 m，根據(jù)SL 265—2016《水閘設計規(guī)范》，閘段選取了左岸覆蓋層最深段、右岸最淺段和河床中心閘段進行了計算，閘基沉降量計算成果見表4。

表4 ?閘基沉降計算成果表

由表4可以看出：各閘室段的地基在未進行基礎處理前最大沉降量達19 cm，相對沉降差5 cm，均不滿足規(guī)范要求。因砂層空隙比較大，故本次設計針對地基特性，對閘基第一層砂層進行高壓旋噴灌漿處理，處理后，閘基最大沉降量13 cm，相鄰建筑間相對沉降差3 cm，均小于規(guī)范要求的最大沉降量15 cm和相對沉降差小于規(guī)范要求5 cm的要求。

5 ?結(jié)論

本文針對德昌水閘工程深厚覆蓋層的復雜地基條件，采用有限元法計算程序AutoBANK5.5對該工程的泄洪沖砂閘地基開展了滲流穩(wěn)定及應力應變分析，根據(jù)SL 265—2016《水閘設計規(guī)范》，對閘基沉陷進行了復核計算，主要結(jié)論如下。

1）閘基砂卵石滲流出溢最大水力比降為0.16，中砂層內(nèi)水力比降為0.05，均小于砂卵石和中砂層的允許比降0.18和中砂的0.30的要求，故閘基滲流是穩(wěn)定安全的。

2）閘基在正常需水遇地震工況下豎向位移為13 cm，水平位移為12 cm，閘基位移滿足規(guī)范要求。閘基最大豎向應力為186.04 kPa，小于稍密砂卵石層200 kPa承載能力要求。

3）閘基最大沉降量13 cm，相鄰建筑間相對沉降差3 cm，均小于規(guī)范要求的最大沉降量15 cm和相對沉降差小于規(guī)范要求5 cm的要求。

4）研究成果對本工程的設計和施工提供了參考，為類似工程提供了借鑒。

參考文獻：

[1] 唐茂穎，段斌，張林，等.深厚覆蓋層上的高閘壩整體穩(wěn)定地質(zhì)力學模型試驗研究[J].水力發(fā)電，2017，43（6）：105-109.

[2] 劉彥琦，王瑞瑤.陰坪水電站泄洪閘深厚覆蓋層地基滲流分析[J].水電能源科學，2019，37（3）：67-70，49.

[3] 王登銀，張洋，徐宇，等.深厚覆蓋層上高混凝土閘壩靜力特性研究[J].水力發(fā)電，2020，46（2）：51-54，60.

[4] 陳凸立，肖明礫，卓莉，等.深厚覆蓋層上某閘壩動力特性及整體穩(wěn)定性研究[J].水電能源科學，2017，35（2）：95-99.

[5] 魏匡民，周恒，米占寬，等.復雜巨厚覆蓋層高閘壩基礎變形控制研究[J].水電能源科學，2022，40（4）：104-107，65.

[6] 蔣達，樂成軍，王濤.非線性接觸深覆蓋層水閘沉降分析[J].東北水利水電，2016（1）：1-3，71.