基于Biot固結理論的閘基灌注樁基礎變形計算

楊寧 劉燦

摘 要：甘肅省張掖市黑河小孤山水電站樞紐采用閘壩型式，基礎河床覆蓋著深厚的淤泥質土，采用混凝土灌注樁群樁措施進行基礎處理。為研究閘基處理后變形情況，采用Biot固結理論，基于有限元法對多工況下樁基變形進行計算，并將計算結果與后期運行中樞紐上游、中游和下游3排共計15個監測點連續106期的監測數據進行對比。結果表明：①工程從開挖至正常運行和發生地震情況的樁基變形有限元計算結果與按照規范計算的結果較為接近;②樞紐工程建設完成后對其進行連續監測，將監測數據與計算數據對比，二者基本吻合，基礎處理方案合理、有效，計算方法合理;③混凝土灌注樁群樁基礎的處理措施改善了淤泥質軟土的剪切變形和不均勻沉降，為工程的安全運行提供了保障。

關鍵詞：Biot固結理論;閘基;混凝土灌注樁群樁;變形計算

中圖分類號：TU473.1+4 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.028

Abstract：The sluice and dam are used in the Xiaogushan Hydropower Station of Heihe River in Zhangye City， Gansu Province. The river bed of the foundation is covered with deep silty soil and the foundation treatment is carried out by concrete grouting pile group piles. In order to study the deformation of sluice foundation after treatment， Biot consolidation theory was used to calculate the deformation of pile foundation under multiple conditions based on finite element method. Then the calculation results were compared with the monitoring data for 106 consecutive periods of 15 monitoring points in 3 rows of upstream， middle stream and downstream of the later operation hub. The results show that a） the results of pile foundation deformation base on finite element calculation method from excavation to normal operation and earthquake occurrence are close to those calculated according to the specifications; b） continuous monitoring is carried out after completion of complex project construction， and the monitoring data are basically in agreement with the calculation data， which shows that the foundation treatment scheme is reasonable， effective and the calculation method is reasonable and; c） treatment measures for pile group foundation of concrete cast-in-place piles improve shear deformation and uneven settlement of silty soft soil， which provides guarantee for safe operation of the project.

Key words： Biot consolidation theory; sluice foundation; concrete pile group; deformation calculation

在軟土地基上進行水利水電工程建設，對于軟土地基性質的研究、加固處理技術的探索是土木工程界所關注的重點、難點和熱點[1]。根據水工建筑物類別對地基承載力的要求以及基礎處理引起的工程投資等問題，應針對不同情況對軟土地基采取不同的處理措施。常用的處理方法有換填法、排水固結預壓法、強夯法、灰土擠密樁法、振沖碎石樁法、高壓噴射注漿法、水泥攪拌樁法、灌注樁群樁法等，其中：換填法廣泛應用于土層厚度在4 m以內的淺層地基處理;排水固結預壓法多應用于土壩的基礎處理[2-4];強夯法特別適合粗顆粒非飽和土、含水量不大的雜填土與濕陷性黃土、低飽和黏性土與粉土地基處理[5-6];灰土擠密樁法主要用于處理地下水位以上且深度在5～15 m的黃土或雜填土地基，而地下水位以下或含水量超過25%的土地基不適合用該方法[7];振沖碎石樁法最初用于振密松砂地基，后來逐漸應用于黏性土地基，主要機理是置換和促進地基土排水固結，樁間土承載力提高較大[8-10];高壓噴射注漿法主要適用于處理淤泥、黏性土和粉土，當地基中含有較大粒徑的塊石時不宜采用該方法[11-14];水泥攪拌樁法適用于加固各種成因的飽和軟黏土，例如淤泥、淤泥質土、黏土以及粉質黏土等[15-17];灌注樁群樁法廣泛適用于各種巖性地層，尤其適用于不良地質條件、地下水位較高的土層。

甘肅省張掖市黑河小孤山水電站樞紐基礎河床覆蓋著深厚的淤泥質土，厚度為5～18 m，通過方案比選，選用混凝土灌注樁群樁法處理地基。筆者采用Biot固結理論，基于有限元法，對多工況下的樁基變形進行預測，并對比水電站運行過程中的樞紐變形觀測數據，分析基礎處理方式及計算方法的合理性，以期為同類工程設計和施工提供參考。

1 工程概況

黑河小孤山水電站樞紐采用閘壩型式，主河床布置4孔泄洪沖沙閘、1孔進水閘，其中：泄洪沖沙閘為胸墻式，閘孔尺寸均為8 m×8 m（寬×高），閘室長度50 m;進水閘布置于右岸、泄洪沖沙閘上游側，引水洞軸線與河道成60°夾角，為深式進水口，孔口尺寸6 m×6 m（寬×高）。樞紐左側布置擋水墻與岸坡連接，攔河閘總寬度76 m。樞紐區出露地層主要為中、下志留統硅質板巖（Sba1-2）及第四系各種松散堆積物。第四系松散堆積層從上到下依次為沖洪積含塊石砂卵礫石、沖洪積粉質黏土、沖洪積砂卵礫石、冰磧含礫砂壤土、冰磧含礫塊石碎石土，其中沖洪積粉質黏土厚度為17 m，黏粒含量30.8%～61.5%，粉粒含量32.0%～62.0%，沙粒含量2.1%～17.5%，垂直滲透系數1.35×10-5cm/s，承載力為0.12～0.15 MPa，按該層土的天然含水率和天然孔隙比判斷為淤泥質軟土，按該粉質黏土的壓縮系數0.49判定土層為高壓縮性土層，同時屬于微透水層。

鑒于小孤山水電站樞紐區工程地質條件的特殊性，樞紐地基深厚覆蓋層處理選用混凝土灌注樁群樁法。樁基呈梅花形布置，共122根樁，順水流方向樁中心間距按3倍樁徑布置，邊樁中心距閘底板邊緣1.2 m，共9排，其中：5排排列14根樁，4排排列13根樁，排間樁位錯開1.8 m，邊排距底板邊緣1.4 m。

2 群樁基礎變形計算

2.1 計算方法

2.2 有限元計算模型

按照實際的樁基地層分布剖分的網格，共分為1 413個節點，1 295個單元，等參單元大部分采用四節點四邊形單元，為適應地質條件的變化部分采用三節點三角形單元。計算時考慮閘底板和樁基共同作用，將外荷載直接施加于閘底板中心。樁基剖面見圖1，根據結構力學方法求得的荷載見表2。

樁與基礎接觸面上設置接觸單元，模擬兩者之間的相互作用。以節理兩邊對應節點相對位移作為變量，而不考慮接觸面法向應力與法向相對位移和切向相對位移之間的耦合作用[18-20]。本文采用Desai等[20]提出的薄層單元，其厚度取為5 cm。在網格剖分過程中，同時考慮在樁基底部設置5 cm厚的沉渣單元。測試數據和有限元計算值對比見圖2，可發現二者基本吻合。

2.3 有限元計算結果

2.3.1 水平位移變形

有限元計算樁的水平位移分布見圖3（指向下游方向為正，指向上游方向為負），可以看出樁頂部的水平位移在正常蓄水期為3.5 mm，在地震情況下為6.3 mm。根據規范（各向同性均質線性變形體理論）計算得出正常蓄水位情況和地震情況下樁頂水平位移分別為2.63 mm和5.83 mm，有限元計算結果與按照規范計算的結果較為接近，說明計算結果合理可靠。

2.3.2 沉降變形

完建期和正常蓄水情況下，由于沿水流方向樁基垂直荷載逐漸減小，加之壓縮層厚度沿水流方向也逐漸減小，因此上游側地基土沉降量較下游側的大，但樁基頂部的沉降差異并不顯著。在完建期，樁1頂部的沉降量為73.4 mm，樁14頂部的沉降量為64.8 mm，沉降差為8.6 mm;在正常蓄水情況下，樁1頂部的沉降量為70.6 mm，樁14頂部的沉降量為64.2 mm，沉降差為6.4 mm。在地震情況下，樁1頂部的沉降量為59.6 mm，樁14頂部的沉降量為71.0 mm，沉降差為11.4 mm，計算結果在安全設計范圍（200 mm）內。

3 樞紐變形監測

小孤山水電站2003年開工建設，2006年首臺機組并網發電。2006年5月4日開始首期樞紐變形監測，通過分析106期（一期為一個月）變形監測結果，驗證計算方法和基礎處理設計的合理性。在小孤山水電站樞紐閘壩1#、2#、3#、4#泄洪沖沙閘等主要工程范圍內，共布設3條視準線、15個監測點，進行樞紐外部永久變形監測工作。根據監測數據分析106期各個監測點的位移過程線，剔除個別監測期個別監測點的異常值，分類匯總后過程線見圖4，樞紐前水位變化過程線見圖5。

（1）上游一排視準線上的監測點的位移趨勢。在監測的1～17期，監測點水平位移隨水位升高呈不斷增大趨勢，垂直位移隨水位升高而逐漸增大至極值，方向向下。在18～39期，庫區維持在較高水位，各監測點的水平位移呈穩定趨勢，垂直位移在高水位下逐漸變小，后隨著水位升高出現向上位移并增大至極值，方向向上;40～50期，水電站在較高水位下運行，監測點水平位移變化不大，垂直位移隨水位變化呈波動狀;74期時上游排樁監測基準點遭撞擊破壞，上游排各監測點的水平位移監測數據采集工作暫停。總體而言，上游排視準線上監測點相對穩定，水平位移隨水位變化而波動，至觀測期結束趨于穩定，垂直位移隨水位升高而增大，隨水位下降而減小，位移為-2～3 mm。

（2）中游排視準線上的監測點位移趨勢。在監測的1～17期，庫區水位變化較大，監測點水平位移呈波動狀，垂直位移隨水位升高而逐漸增大至極值，方向向下。在18～39期，庫區水位較高，各監測點的水平位移逐漸增大后趨于穩定，垂直位移在高水位下逐漸變小，后隨著水位升高出現向上位移并增大至極值，方向向上。自40期開始，水電站在較高水位下運行，監測點位移呈波動狀。總體而言，中游排視準線上監測點相對穩定，水平位移隨水位變化而波動，至觀測期結束趨于穩定，垂直位移隨水位升高而增大，隨水位下降而減小，位移為-3.2～3.2 mm。

（3）下游一排視準線上的監測點位移趨勢。在監測的1～17期，庫區水位變化較大，監測點水平位移呈波動狀，垂直位移在達到高水位時逐漸向下增大至極值。在18～39期，庫區水位較高，各監測點的水平位移逐漸增大后趨于穩定，沉降穩定后呈增大趨勢。自40期開始，水電站在較高水位下運行，監測點位移呈波動狀。總體而言，下游排視準線上監測點相對穩定，水平位移至觀測期結束時趨于穩定，垂直位移隨水位升高而增大，隨水位下降而減小，位移為-2.8～2.1 mm。