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，研究結果顯示，混凝土灌注樁能有效減小工程區域最大水頭分布，同時還能保證水閘自身結構穩定，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。水閘閘門采用鋼質弧形結構，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），根據蘇州河道技術等級表，換算成吳淞高程后，特征水位如下：

1.3 立面設計

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

2 數模計算分析

2.1 數模設計與建立

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

圖1 數學模型建立及網格劃分

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

采用原設計方案與添加混凝土樁基后的兩組模型進行效果對比。

3.1 原設計方案下計算結構分析

（1）最低蓄水位。

在最低蓄水位工況下，整體滲流計算結果詳見圖2，分析圖2。①在最低蓄水位工況下，實例工程在原設計方案下總水頭差為5.5 m；其余關鍵部分的最大水頭差計算結果如下：齒墻處最大水頭差為3.15 m；水閘底板處最大水頭差也達到1.83 m。②總體來看，進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；均遠大于其他區域；齒墻處的的平均水頭滲透坡降略小于進水口與出水口，達到0.094；但也遠大于其他剩余區域的平均值（0.046）。③在該工況下，工程區域內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律基本一致。②在最高蓄水位工況下，實例工程在原設計方案下總水頭差為3.5 m，其余關鍵部分的最大水頭差計算結果如下：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水口與出水口，達到0.075，但也遠大于其他剩余區域的平均值（0.031）。④在該工況下，工程區域內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果（天然地基）

3.2 增設混凝土灌注樁效果分析

為探討混凝土樁基礎對實例工程防滲結果影響，本工程在實例工程基礎上補充增設了共96根混凝土灌注樁；灌注樁在原樁基基礎布設上分4排進行補充，灌注樁樁徑與原設計方案一致，均設為0.50m。分析灌注樁對滲流的效果。在增設混凝土灌注樁方案下，計算結果如下：

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

a、由于上下游水位為邊界條件，因此在工況下，增設混凝土灌注樁后上下游最大水位差仍為5.5 m。其余關鍵部分的最大水頭差計算結果如下：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的區域）所占整體比重由原方案的39.15%下降至增設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水口與出水口，達到0.092；其他剩余區域的平均值為0.048。但水頭滲透坡降為0的區域由原方案的20.25%增大至增設混凝土灌注樁方案下的35.87%；水頭滲透坡降為0.05以上的區域由原方案的50.29%下降至增設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，增設混凝土灌注樁后上下游最大水位差仍為3.5 m。其余關鍵部分的最大水頭差計算結果如下：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的區域）所占整體比重由原方案的40.25%下降至增設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水口與出水口，達到0.081；其他剩余區域的平均值為0.044。但水頭滲透坡降為0的區域由原方案的21.66%增大至增設混凝土灌注樁方案下的34.27%；水頭滲透坡降為0.05以上的區域由原方案的52.15%下降至增設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果（增設混凝土樁基）

4 結論

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果。研究結果顯示，在增設混凝土灌注樁進行防滲處理后，水頭分布由天然地基狀態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，設置混凝土灌注樁進行防滲處理合理、有效、可行。