回填荷載下卸荷式船閘受力與變形監測分析

張寧 關云飛 李夫仲 夏偉

摘要：帶卸荷板的整體式閘室結構具有降低閘室內力和位移、增加抗浮能力的作用，作為一種新型水工結構，首次應用于澮河南坪船閘工程。為進一步揭示該閘室結構在回填荷載作用下的受力與變形特性，通過現場監測和數值模擬，分析了回填荷載下閘墻所承受的土壓力、孔隙水壓力以及閘墻變形量隨時間的變化規律：相較于傳統的塢式閘室結構，帶卸荷板的整體式閘室結構所受到的土壓力和有效應力顯著降低，卸荷效應明顯，閘室結構變形得到有效控制，新結構提高了船閘的安全性與穩定性。

關鍵詞：卸荷板;回填施工;現場監測;土壓力;船閘

中圖分類號：TV698.1+l;U641.3+l

文獻標志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2019.05.030

近年來，已有不少船閘由于運行時間較長而導致局部滑移變位甚至失穩，使得整個船閘的安全性能大大降低，使用壽命也難以保證[1]。與傳統的塢式閘室結構相比，帶卸荷板的整體式閘室結構具有受外荷載作用小、安全性高、工期短、造價低等優點[2]。對于帶卸荷板的整體式閘室結構的相關研究尚在起步階段，在設計計算、施工工藝以及工作機理分析等方面還沒有成熟的經驗可供參考。

Benmebarek等[3]采用FLAC 3D數值方法研究了結合土中剛性粗糙擋土墻平移引起的三維被動土壓力，并將數值分析結果與極限平衡法、極限分析上限法和實驗方法進行了比較：付長靜等[4]提出了一種簡便方法，將板樁結構分為多個部分，按非極限狀態土壓力理論分別計算主樁和錨樁的土壓力，由此計算出板樁所受的土壓力：王琰等[5]利用有限元對分離卸荷式板樁碼頭結構在施工過程中的承載特性進行數值模擬，以此來研究分離卸荷式板樁碼頭的卸荷效應與機理：龔麗飛[6]采用離心模型試驗探求結構與土相互作用的機理，并依托ANSYS有限元軟件對該新型結構進行初步數值模擬分析：李武等[7]采用物理模型試驗的手段來驗證數模分析中的土體參數，再由數模分析手段探究土體參數對閘室結構所承受外力以及變形的影響規律。

現有的文獻主要從模型試驗和數值模擬等方面研究傳統的直立式擋土墻或卸荷式板樁碼頭結構的工作特性。而帶卸荷板的整體式閘室結構是一種新型水工結構，對其受力與變形特性的研究少之又少，席榮等[8]利用ABAQUS有限元軟件對卸荷式船閘進行了數值模擬，通過控制卸荷板的設計高度、寬度和厚度等來研究閘墻的水平位移、土壓力和彎矩分布等的變化規律。考慮到模型試驗與數值模擬中工程地質條件較難把握，邊界條件難以確定，模型與原型不盡相同，因此有必要對帶卸荷板的整體式閘室結構的受力、變形進行現場測試。本文依托澮河南坪船閘工程，通過現場埋設的土壓力、孔隙水壓力及傾角位移傳感器，研究回填荷載下帶卸荷板的整體式閘室結構的外力及變形隨時間的變化規律，并得到閘室墻的有效應力分布，為該新型船閘閘室結構的設計與推廣應用提供必要的理論指導與數據支撐。

1 現場監測概況

1.1 帶卸荷板的整體式閘室結構

安徽澮河南坪船閘閘室部分采用帶卸荷板的整體式鋼筋混凝土U形槽閘室結構，該結構由墊層、底板、閘室墻及卸荷板組成，如圖1所示。閘室順水流方向長200.0 m，共分12節，每節分縫長度16.7 m;閘室墻口門寬為23.2 m，凈寬23.0 m;閘室底板設計厚度達2.4 m;閘室墻高12.6 m.頂寬0.8 m，底寬2.4 m，并設1.0 mxl.5 m倒角：在兩側閘室墻后距墻頂7.5 m高度處設卸荷板，卸荷板上部平臺寬2.2 m，端部厚度為0.4 m，根部厚度為1.2 m。

1.2 工程地質條件

根據工程勘探結果，閘室基礎以上主要包括粉質黏土①、粉質黏土②、粉砂③、粉土④、粉土⑤、粉質黏土⑥等6個土層。自上而下各土層的主要物理力學性質指標列于表1。

閘室墻后回填土體來自基坑開挖土方。表1數據經過均值分析可知，回填土體的天然重度平均為19.03kN/rri3，壓縮模量平均為8.76 MPa;固結快剪結果顯示回填土體黏聚力平均為35.06 kPa，內摩擦角平均為14.40，屬中低壓縮性土。

1.3 監測點布置

現場監測選取典型測試斷面進行測點布置。參考數值模擬計算結果[8]，在典型位置布置土壓力、孔隙水壓力及結構傾角位移測點，經過優化之后的測點布置見圖2。

界面土壓力以及孔隙水壓力的數據采集分別通過在墻體表面預埋土壓力盒以及孔壓計的方式來實現。在閘室墻體（包括卸荷板）外側表面布置10組土壓力和孔隙水壓力傳感器，其中卸荷板以上的墻體表面布置3組傳感器，卸荷板的上下表面和前端分別布置1組傳感器，卸荷板以下的墻體表面均勻布置4組傳感器。在閘室墻內部預埋傾角儀測量墻體在回填荷載下的相對水平位移，從頂部到底端均勻布置4只傳感器。

2 有限元模型的建立

依托于ABAQUS軟件開發的土與結構相互作用計算程序，并利用莫爾一庫侖模型來描述回填土的應力一應變關系。采用基于接觸力學的接觸模型來模擬土與閘室墻的接觸面特性，研究卸荷式船閘結構在回填荷載下的工作機理，并探討閘室墻與回填土的相互作用規律。

考慮到閘室結構邊界效應，數值模擬的深度為60m、長度為90 m、寬度（縱向）為Sm。閘室為鋼筋混凝土結構，模擬時采用實體單元，本構模型選用線彈性模型，彈性模量取26 GPa，泊松比取0.167。閘室墻外表面和各回填土層之間都存在接觸。墻、土接觸假定為有限滑移，法向為硬接觸，接觸壓力假定不衰減，切線方向設置最大摩擦力。

模擬閘室結構回填過程時，采用單元的“生”功能。所謂“生”功能，即單元的激活，使單元恢復到原來的質量和剛度，這時單元上初始應力和初始應變都為零。通過激活回填部分單元來模擬土體的回填，這與現場的實際工況一致。

3 外力監測結果分析

卸荷板以上的墻后回填施工于2018年1月10日開始，2018年6月9日結束，采用分層回填方式施工。監測過程于2018年1月1日開始.2018年10月17日結束，歷時290 d。各監測點的監測數據限于篇幅關系略，依據監測數據經過嚴格分析計算得到的監測成果如下。

3.1 界面土壓力分析

在回填施工期，由于閘室內還未通水，不存在內側水壓力，因此閘室墻外側土壓力和孔隙水壓力為影響閘室墻變形和穩定的主要外部荷載。通過對回填荷載下閘室外側土、水壓力進行現場監測，并結合數值模擬結果研究閘室外側受力特征，分析卸荷板的卸荷效應[9]。

圖3給出界面土壓力隨儀器埋深的變化趨勢。可以看出，在回填施工期，閘室墻后界面土壓力隨著回填土高度的增加而不斷增大，而在施工結束后，界面土壓力則表現出下降的態勢，在底板作用區下降的幅度更加明顯，說明隨著時間的推移，閘室墻所受到的外力逐漸收斂到某一較小的定值，保證了閘室結構的安全性。而在卸荷板（距墻頂7.5 - 8.7 m高度）位置附近，閘室墻界面土壓力出現極值132.56 kPa.在此小范圍高度內土壓力先增大到極大值，再迅速減小至50 kPa以下，出現很明顯的卸荷區域。

為進一步研究閘室結構所受土壓力的變化規律，圖3中加入了回填施工結束后104 d工況下利用有限元軟件得到的無卸荷板以及帶卸荷板兩種情況下的數值模擬結果。

通過對比有無卸荷板模擬結果可以發現，卸荷板上部和卸荷板作用區內土壓力實測結果稍低于數模結果：在卸荷板下部，實測結果明顯小于無卸荷板模擬的結果;而在底板作用區內，實測結果仍小于無卸荷板模擬的結果，但是實測結果隨時間發展而出現分化，回填后時間越長，實測結果越小，卸荷效應越明顯。從帶卸荷板模擬的結果可以看出，數值模擬結果與現場監測的結果基本吻合。因此，不難發現：除卸荷板作用區外，其他區域均為卸荷板的卸荷區，且卸荷程度大小依次為卸荷板下部、底板作用區、卸荷板上部區域。

通過設置在卸荷板的上表面和側面的兩組界面土壓力傳感器T1-4及T1-5，得到回填結束后的4組數據，并由庫侖土壓力理論計算得到相應的主動土壓力系數（見表2），可以發現回填土的主動土壓力系數在0.55 -0.61之間。

通過式（1）計算得到的主動土壓力系數為0.580，與現場實測得到的主動土壓力系數接近，從側面印證了現場監測的準確性和可靠性。

3.2 孔隙水壓力分析

圖4為孔隙水壓力在閘室墻高度方向的變化規律。可以看出，回填施工過程中孔隙水壓力隨儀器埋深的增大近似呈線性增大的趨勢。此外，回填施工后104 d的孔隙水壓力稍大于回填施工期的，原因是：回填初期，基坑降水施工的影響及回填土的含水量較低，土中水大多以結合水和毛細水的形態存在，而結合水和毛細水均不能傳遞靜水壓力，也就不能產生孔隙水壓力;回填施工后期，河道滲流、降水等導致地下水位升高，墻后回填土逐漸飽和，測得的孔隙水壓力有所增大。回填施工后104 d時多出來的那部分孔隙水壓力來自于重力水。

3.3 有效應力分析

通過現場監測得到的土壓力為土中有效應力和孔隙水應力的總和，而由孔壓計得到的壓力值代表的是孔隙水應力。可由土壓力盒以及孔壓計的實測數據得到有效應力在閘室墻高度方向的變化規律，見圖5。

對比土壓力隨儀器埋深的變化趨勢，有效應力隨埋深變化趨勢的特征更加明顯。對比圖中無卸荷板時的閘室墻后有效應力，可以看出帶卸荷板的閘室結構所受的有效應力大大降低，卸荷效應得以顯現：墻后回填施工結束后，在外力作用下閘室墻的變形，引起閘室墻后回填土有效應力進一步降低，卸荷效果得到進一步提升。值得注意的是，恰好在卸荷板（距墻頂7.5-8.7 m高度）位置下部0.5 m高度，出現有效應力接近于零的區域，得到極為理想的卸荷效果。

由式2可以得出卸荷程度系數的范圍介于0-1之間，因增加卸荷板而消散的有效應力越大，卸荷程度系數也就越大，卸荷板的卸荷效果越理想。

選取典型測點T1-8，根據式（2）計算得到表3。從表3可以看出，除工后50 d外，其余3種工況卸荷程度系數均在0.67左右，可見墻后回填施工結束后卸荷程度系數最終收斂于0.67。因此增加卸荷板后，閘室墻所受到的有效應力顯著降低，基本上為無卸荷板時的三分之二，卸荷效果非常理想。

進一步選取回填施工后104 d所測得的卸荷板下側T1-7、T1-8、T1-9、T1-IO四個土壓力測點的數據進行卸荷程度系數分析，根據式（2）經過計算得到表4。

圖5給出了閘室墻后有效應力變化趨勢，而表4則從數據上直接展現了閘室墻外側不同高度處的卸荷效果。從有效應力消散的絕對值上看，T1-8測點的卸荷效果最理想，T1-9測點的卸荷程度最低：而從卸荷程度系數來看，則是T1-7與T1-IO測點的卸荷效果最佳，T1-9測點次之，T1-8測點最差。4個測點的卸荷程度系數均值為0.890，即表示閘室墻卸荷板下側區域平均卸荷程度高達90%，使得閘室結構的穩定性得到保證。

4 結構整體變形分析

閘室結構安全性的最直觀體現在于轉角和位移等。通過閘室墻不同高度處預先埋設的傾角儀，監測墻體在回填荷載下的轉角變化，再計算閘墻水平不同位置處的水平位移，從而為控制墻后回填速率、檢驗工程效果等提供相關的數據支撐。

由閘室墻的轉角位移通過弧長公式換算得到閘室墻的水平位移隨時間的變化趨勢（見圖6，以指向閘室墻內側方向為正）。帶卸荷板的閘室結構整體水平位移遠小于無卸荷板的閘室結構。

由閘室墻的水平位移變化趨勢可以看出，在回填初期，閘室墻由于自重作用產生背離閘室的水平位移。隨著回填土高度的不斷升高，墻體逐漸產生向內側的水平位移。在回填荷載作用下，沿墻體高度向上，水平位移呈先增大后減小的變化趨勢，至卸荷板處位移達到最大值，卸荷板以下位置水平位移逐漸變小，直至位移為零。

在閘室墻頂部，卸荷板承擔的土體自重使得閘室墻上部產生與土壓力相反方向的位移，這部分位移明顯小于土壓力作用于閘室墻使墻體產生的位移，使得頂部水平位移逐漸變小，閘室墻變形得到抑制，直至監測末期接近于零，卸荷效應得以顯現，閘室結構安全性得到保證。

5 結語

通過對回填荷載下帶卸荷板的整體式閘室結構進行土壓力及變形監測分析，得到以下結論：①回填荷載作用下，帶卸荷板的整體式閘室結構相較于無卸荷板時，墻體受到的土壓力存在明顯的卸荷區，閘室結構檢修期的抗傾覆能力得到提高：②卸荷板對整體式閘室結構具有明顯的卸荷作用，土壓力、有效應力及墻體水平位移均明顯低于無卸荷板的閘室結構：③卸荷板可有效降低結構的傾角及水平位移，閘室的安全性與穩定性得到提升，可進行推廣應用。

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【責任編輯馬廣州】