蓄水位差對沭新北船閘工程沉降影響及預測分析

唐子明，徐 瑞，王 淼，董鴻偉

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001)

0 引 言

我國現今中大型水閘約5 000座[1], 在灌溉、環保、防洪、水力發電、航運等方面發揮著至關重要的的作用。然而，中大型水閘在運行過程中，安全會受到多種因素的影響，其中水閘地基不均勻沉降便是其中之一[2]。這是由于一些水電站閘址區常修建于黏土地基之上，而在水電站蓄水之后，水閘前后存在水位差，導致地基產生過大或不均勻沉降，使水閘與底板之間產生拉應力，嚴重威脅水閘的安全運行[2]。因此，分析蓄水水位差對船閘工程沉降的影響，是水閘安全運行的關鍵問題之一[3]。

目前，國內外通常采用數值模擬的方法來分析地基沉降或者與建筑結構之間的相互作用，常用的數值理論包括有限元法[4]、有限差分法[5]、離散元法[6]等。王澤志[7]利用流體力學軟件，以海河閘為例, 建立海河防潮閘三維數學模型，研究地面沉降因素對防潮閘水力特性的影響規律，獲得了在不同沉降量時的防潮閘閘下流態、流速及流量變化規律。王濤等[8]以某進水閘為例, 通過ABAQUS軟件對加固前后的地基沉降進行了數值模擬分析,得到加固前后粉砂地基的沉降規律。李路華[9]利用ABAQUS有限元軟件,結合具體的工程實例進行三維建模計算,模擬分析了某護鏡門型式水閘底板采用閘墩分縫和底板分縫時, 對于不同的荷載工況,其相應的受力及變形情況，為工程提供設計依據?？妶A冰等[10]針對蘇州河河口水閘閘底板差異沉降小于1.5 cm的設計要求, 建立水閘整體三維有限元模型，并進行多方案數值模擬，給出了控制差異沉降的有效方法。丁立魁[11]利用ABAQUS有限元軟件對吹填區內一水閘工程進行了基于共同作用理論的上部水閘結構-基礎-軟基的整體數值分析。

本文以沭新北船閘工程為例，采用ABAQUS建立三維船閘與地基模型，先將不同蓄水水位下，船閘底板的實測沉降與數值模型中的沉降進行對比分析，驗證模型的可靠性；再通過模型預測分析多種蓄水水位條件下，船閘工程各監測點沉降規律，其研究結果可為相關工程分析提供參考。

1 工程位置

沭新北船閘位于宿遷市沭陽縣桑墟鎮青伊村境內，上游為沭新河，下游為黃泥薔薇河，是分淮入沂綜合利用沭新河工程之一，與沭新南船閘一起溝通淮沭新河與連云港市航運，尚可承擔沭新河向黃泥薔薇河補水的任務。沭新北船閘隸屬于江蘇省淮沭新河管理處，由薔薇河地涵管理所管理。工程位置見圖1，圖2為沭新河流域水系圖。

圖1 沭新北船閘工程位置圖

圖2 沭新河流域水系圖

2 模型建立與計算參數

沭新北船閘上閘首尺寸為 22.0 m×25.0 m(長×寬)，閘首頂高程為▽8.50 m(20 年一遇洪水位+風浪高)， 閘門頂高程▽8.10 m，底板底高程▽-3.50 m，底板厚為2.50 m。輸水廊道尺寸為2.50 m×2.0 m，廊道底高程為▽-1.0 m。下閘首尺寸為 22.0 m×25.0 m(長×寬)，閘首頂高程為▽8.50，閘門頂高程▽8.10 m，閘墩控制樓段頂高程為 8.50 m，兩側閘頂高程為7.5 m，底板底高程▽-3.50 m，其余尺寸與上閘首保持一致。

經現場初勘查明，鉆探深度范圍內的土層可分為6 個工程地質層：①填土層：上部成分較復雜，以壤土、 粉質壤土為主，中下部以黏土、粉質黏土為主(可塑或可塑～硬塑狀)，層厚 0.6～9.0 m， 層底高程-1.24～4.83 m；②粉質黏土層：灰褐色，軟塑～可塑狀，層厚0.2～0.6 m，層底高程3.51～3.77 m；③粉質黏土層：灰褐色、灰黃色，可塑狀，層厚 0.5～1.7 m，層底高程 2.41～3.27 m；④粉質黏土層：灰黃色、黃色，以硬塑狀為主，局部可～硬 塑狀，夾礓結石(較富集)，層厚 3.0～9.0 m，層底高程-5.87～-3.28 m；⑤輕砂壤土層：灰黃色，稍濕～濕，中密狀，夾礓結石局部夾粉質黏土，層厚1.3～3.1 m，層底高程-7.15～-4.78 m；⑥黏土層：黃色、暗黃色，硬塑狀，無搖震反應，有光澤，干強度及 韌性高，含氧化鐵粉末，夾礓結石(較富集)，勘察深度范圍內未揭穿該層。圖3為本次概化模型，表1為本次計算力學參數。

圖3 船閘概化三維模型

表1 模型計算力學參數

3 數值分析結果與實測沉降對比

沭新北船閘引河斷面觀測每年汛前一次。水下部分采用過河索法，斷面距采用100 m標準測繩觀測，水深采用測深錘觀測，斷面河寬直接從測繩讀取。本工程共設56個垂直位移觀測標點，3個工作基點，垂直位移觀測采用DNA03型電子水準儀，觀測等級三級，觀測精度符合要求。

本文以2021年的6次蓄水位差的觀測結果為基準來驗證數值模型的可靠性，實測結果見圖4。圖5為本次不同蓄水位差下數值結果誤差。由圖5可知，當蓄水位差為4.13 m時，上閘首與底板2的實測沉降與數值結果相差最大，約為16.8%；當蓄水位差為3.86 m時，上左翼的誤差最大，為15.1%；當蓄水位差為3.57 m時，下閘首、底板1、下左翼的沉降誤差最大，分別為10.3%、11.3%和16.6%。監測點的實測沉降與對應的數值模型中的沉降最大誤差為16.8%，最小誤差為1.5%，總體上小于20%。因此，本次建立的數值模型可以用于預測不同水位差下的整個船閘工程不同部位的沉降。

圖4 不同蓄水位差下的實測沉降

圖5 不同蓄水位差下的數值結果誤差

4 不同蓄水位差下各監測點沉降預測

本文根據多年的監測數據，一共設計15種蓄水位差來分析整個船閘工程的沉降，見圖6。圖6中最大蓄水位差5.9 m，最小蓄水位差2.25 m。

圖6 15種不同蓄水位差

圖7為不同蓄水位差下的上閘首預測沉降。由圖7可知，當蓄水位差為5.9 m時，上閘首的沉降最大，為3.8 mm；而當蓄水位差為2.3 m時，沉降最小，為0.08 mm。此外從圖7中還可看到，不同蓄水位差下的上閘首沉降變化趨勢并不相同，當蓄水位差在[2.66, 2.74]、[3.49, 3.83]、[5.26, 5.61]這3個區間時，上閘首的沉降變化趨勢最陡，沉降增長最快。

圖7 不同蓄水位差下的上閘首預測沉降

圖8為不同蓄水位差下的上左翼預測沉降。由圖8可知，當蓄水位差為5.9 m時，上左翼的沉降最大，為2.2 mm；而當蓄水位差為2.3 m時，沉降最小，為0.1 mm。此外，當區間蓄水位區間在[3.23, 3.49]時沉降增長最快。從圖8中的數據還可得出，同一蓄水位差下，上閘首與上左翼的沉降并不一致。說明不同蓄水位差下，地基產生了明顯的差異沉降，容易造成底板底部產生拉應力，導致翼墻開裂。

圖8 不同蓄水位差下的上左翼預測沉降

圖9為不同蓄水位差下的底板1與底板2預測沉降。由圖9可知，底板1與底板2的最大沉降存在一定差值，其中在蓄水位差為，5.9 m時，底板1的最大沉降為1.99 mm，而底板2的最大沉降為1.87 mm。蓄水位差在區間[3.43,5.42]時，兩者的沉降差和增長趨勢幾乎保持一致；但當蓄水位差小于3.42 m時，底板1與底板2的沉降對水壓力的響應并不相同，兩者沉降差較大。

圖9 不同蓄水位差下的底板1與底板2預測沉降

圖10為不同蓄水位差下的下閘首預測沉降。在圖10中，當蓄水位差達到最大時，下閘首的最大沉降為3.95 mm；當蓄水位差為2.25時候，沉降僅為0.03 mm。其中，當蓄水位差在區間[3.23,5.26]時，下閘首的沉降增長較為緩慢，幾乎保持不變；而當蓄水位差大于5.26 m時，下閘首的沉降增長趨勢最快。

圖10 不同蓄水位差下的下閘首預測沉降

圖11為不同蓄水位差下的下左翼預測沉降。由圖11可知，下左翼的總體沉降趨勢與下閘首相似，存在沉降緩沖區和沉降加速增長區。其中，當蓄水位差在區間[3.8,5.61]時，沉降增長速度明顯較緩；而當蓄水位差大于5.61 m，增長速度較快。本案例中，當蓄水位差為5.9 m時，下左翼沉降最大，為2.63 mm。

圖11 不同蓄水位差下的下左翼預測沉降

5 結 論

本文以沭新北船閘工程為例，采用ABAQUS建立了三維船閘與地基模型，先將不同蓄水水位下，船閘底板的實測沉降與數值模型中的沉降進行對比分析，驗證模型的可靠性；再通過模型預測分析了多種蓄水水位條件下，船閘工程各監測點沉降規律。結論如下：

1) 當蓄水位差為5.9 m時，各監測點的沉降最大，分別為上閘首3.8 mm，上左翼2.2 mm，底板1為1.99 mm，底板2為1.87 mm；而下閘首與下左翼分別為3.95 mm和2.63 mm。

2) 同一蓄水位差下，各監測點的沉降并不一致。說明不同蓄水位差下，地基產生了明顯的差異沉降，容易造成底板底部產生拉應力，導致翼墻開裂和閘首變形。