混凝土樁基在虞山水閘地基處理中防滲效果分析

◇重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院 張 林

水閘起著攔水阻流作用，在閘室上下游有明顯的滲流差。本文以江蘇省蘇州常熟市虞山水閘為實例工程，研究混凝土樁基對防滲阻水的可行性以及作用效果。本文借助三維有限元軟件，分析了天然地基和混凝土灌注樁處理地基下實例工程的滲透場分布狀況，研究結(jié)果顯示，混凝土灌注樁能有效減小工程區(qū)域最大水頭分布，同時還能保證水閘自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，作用明顯。

1 工程基本介紹

1.1 基本介紹

實例工程為江蘇省蘇州常熟市虞山水閘，該閘建于2004年，位于申張線與白鶴滃交匯口下游850 m，黃埔路跨申張線橋梁上游1220 m處。水閘閘門采用鋼質(zhì)弧形結(jié)構(gòu)，閘室尺度37×100 m（閘室長度×閘室寬度）?？紤]到秦淮河河面較寬，為減小對河道水流形態(tài)的影響，實例工程采用2孔閘室跨過秦淮河。

1.2 特征水位條件

虞山水閘位于申張線（袁家橋～虞山閘段），根據(jù)蘇州河道技術(shù)等級表，換算成吳淞高程后，特征水位如下：

1.3 立面設(shè)計

原設(shè)計方案為設(shè)置兩排對稱閘門，同時在每個閘門下方各設(shè)置兩排樁基，樁長均為54 m，內(nèi)外部的樁間距為26.25 m。

2 數(shù)模計算分析

2.1 數(shù)模設(shè)計與建立

采用邁達(dá)斯進(jìn)行建模分析，模型示意圖見圖1（1），為保證計算結(jié)果流暢與收斂，模型網(wǎng)格劃分采用正方體網(wǎng)格；模型下部樁基效果圖見圖1（2）。

圖1 數(shù)學(xué)模型建立及網(wǎng)格劃分

2.2 計算工況

計算工況選擇見本文表1。

表1 實例工程特征水位

3 滲流效果對比

采用原設(shè)計方案與添加混凝土樁基后的兩組模型進(jìn)行效果對比。

3.1 原設(shè)計方案下計算結(jié)構(gòu)分析

（1）最低蓄水位。

在最低蓄水位工況下，整體滲流計算結(jié)果詳見圖2，分析圖2。①在最低蓄水位工況下，實例工程在原設(shè)計方案下總水頭差為5.5 m；其余關(guān)鍵部分的最大水頭差計算結(jié)果如下：齒墻處最大水頭差為3.15 m；水閘底板處最大水頭差也達(dá)到1.83 m。②總體來看，進(jìn)水口的平均水頭滲透坡降為0.142；出水口的平均水頭滲透坡降為0.147；均遠(yuǎn)大于其他區(qū)域；齒墻處的的平均水頭滲透坡降略小于進(jìn)水口與出水口，達(dá)到0.094；但也遠(yuǎn)大于其他剩余區(qū)域的平均值（0.046）。③在該工況下，工程區(qū)域內(nèi)的孔隙水壓力的分布范圍為38.64～-586.12 kN/m2。

圖2 工況一滲透壓力計算結(jié)果（天然地基）

（2）最高蓄水位。①總體來看，原方案下，最低蓄水位與最高蓄水位的滲透水壓分布規(guī)律基本一致。②在最高蓄水位工況下，實例工程在原設(shè)計方案下總水頭差為3.5 m，其余關(guān)鍵部分的最大水頭差計算結(jié)果如下：齒墻處最大水頭差為2.05 m；水閘底板處最大水頭差為1.51 m。③進(jìn)水口的平均水頭滲透坡降為0.05；出水口的平均水頭滲透坡降為0.112；齒墻處的的平均水頭滲透坡降略小于進(jìn)水口與出水口，達(dá)到0.075，但也遠(yuǎn)大于其他剩余區(qū)域的平均值（0.031）。④在該工況下，工程區(qū)域內(nèi)的孔隙水壓力的分布范圍為62.35～-558.14 kN/m2。

圖3 工況二滲透壓力計算結(jié)果（天然地基）

3.2 增設(shè)混凝土灌注樁效果分析

為探討混凝土樁基礎(chǔ)對實例工程防滲結(jié)果影響，本工程在實例工程基礎(chǔ)上補(bǔ)充增設(shè)了共96根混凝土灌注樁；灌注樁在原樁基基礎(chǔ)布設(shè)上分4排進(jìn)行補(bǔ)充，灌注樁樁徑與原設(shè)計方案一致，均設(shè)為0.50m。分析灌注樁對滲流的效果。在增設(shè)混凝土灌注樁方案下，計算結(jié)果如下：

（1）工況一。在設(shè)置混凝土樁基礎(chǔ)情況下，最低蓄水位工況（工況一）計算結(jié)果見圖6，對比天然地基計算結(jié)果分析可知：

a、由于上下游水位為邊界條件，因此在工況下，增設(shè)混凝土灌注樁后上下游最大水位差仍為5.5 m。其余關(guān)鍵部分的最大水頭差計算結(jié)果如下：齒墻處最大水頭差為3.10 m；水閘底板處最大水頭差為1.80 m。在相同的對比條件下，水頭較大（水頭大于1 m的區(qū)域）所占整體比重由原方案的39.15%下降至增設(shè)混凝土灌注樁方案下的7.21%；滲透狀況有顯著改善。

b、水口的平均水頭滲透坡降為0.138；出水口的平均水頭滲透坡降為0.139；齒墻處的的平均水頭滲透坡降略小于進(jìn)水口與出水口，達(dá)到0.092；其他剩余區(qū)域的平均值為0.048。但水頭滲透坡降為0的區(qū)域由原方案的20.25%增大至增設(shè)混凝土灌注樁方案下的35.87%；水頭滲透坡降為0.05以上的區(qū)域由原方案的50.29%下降至增設(shè)混凝土灌注樁方案下的37.19%。整體滲透分布顯著改善。

（2）工況二。

a、工況二下，增設(shè)混凝土灌注樁后上下游最大水位差仍為3.5 m。其余關(guān)鍵部分的最大水頭差計算結(jié)果如下：齒墻處最大水頭差為2.03 m；水閘底板處最大水頭差為1.49 m。在相同的對比條件下，水頭較大（水頭大于1 m的區(qū)域）所占整體比重由原方案的40.25%下降至增設(shè)混凝土灌注樁方案下的9.65%；滲透狀況有顯著改善。

b、水口的平均水頭滲透坡降為0.094；出水口的平均水頭滲透坡降為0.106；齒墻處的的平均水頭滲透坡降略小于進(jìn)水口與出水口，達(dá)到0.081；其他剩余區(qū)域的平均值為0.044。但水頭滲透坡降為0的區(qū)域由原方案的21.66%增大至增設(shè)混凝土灌注樁方案下的34.27%；水頭滲透坡降為0.05以上的區(qū)域由原方案的52.15%下降至增設(shè)混凝土灌注樁方案下的36.67%。整體滲透分布顯著改善。

圖5 工況二滲透壓力計算結(jié)果（增設(shè)混凝土樁基）

4 結(jié)論

本文以江蘇省蘇州常熟市虞山水閘作為實例研究工程，進(jìn)行建模分析，研究了天然地基和灌注樁處理地基下的滲流結(jié)果。研究結(jié)果顯示，在增設(shè)混凝土灌注樁進(jìn)行防滲處理后，水頭分布由天然地基狀態(tài)下均勻分布變成兩頭分布較小中間較大的情況，平均滲透坡降顯著下降，同時大幅降低了最大水頭的占比，減小了實例工程的滲透壓力。由此可見，設(shè)置混凝土灌注樁進(jìn)行防滲處理合理、有效、可行。