第23卷 第12期
岩石力学与工程学报 23(12)：2054～2058
2004年6月 Chine Journal of Rock Mechanics and Engineering June ，2004
2003年5月10日收到初稿，2003年10月17日收到修改稿。
作者 王 伟 简介：男，1977年生，现为博士研究生，主要从事土与结构共同作用理论等方面的研究工作。E-mail ： 。
苏州河河口水闸三维固结有限元计算
王 伟 陈 剑 卢廷浩 李 飞
(河海大学岩土工程研究所 南京 210098)
摘要 对苏州河河口水闸的整体设计作了简要介绍，采用空间Biot 非线性固结有限元模型，考虑地基的固结过程，在有关位置设置软弱化接触单元，计算分析了挡潮和挡河两种工况下地基的变形对水闸结构的影响、闸墩和混凝土沉箱闸底板随时间变化的变形规律以及基础桩受力等共同作用问题。计算结果表明：
挡潮工况是控制工况；闸墩基础的沉降和桩的反力均随着土体的固结而增加，但差异沉降很小，角桩的反力大于内部桩的反力。这同时也说明该水闸的设计是巧妙而合理的，计算模型、相应计算参数是正确的。 关键词 土力学，有限单元法，三维固结，非线性共同作用，接触单元
分类号 TV 66 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)12-2054-05
3D FEM ANALYSIS OF SLUICE ON SUZHOU RIVER BAYOU
CONSIDERING SOIL CONSOLIDATION
Wang Wei ，Chen Jian ，Lu Tinghao ，Li Fei
(Institute of Geotechnical Engineering ，Hohai University ， Nanjing 210098 China )
Abstract Considering soil consolidation ，the design of sluice on Suzhou River bayou is introduced ，and the time-dependent interaction between pile ，soil and structure under different operating conditions is analyzed by using 3D finite element method. Piles and structure are modeled as linear elements ，and soils are modeled as nonlinear elements. Contacted interface elements are t between pile elements and soil elements. It is found that the counterforce of the piles and the ttlement of the sluice raft both increa during soil consolidation. The differential ttlement is very
small ，and the counterforce of corner piles is larger than that of middle piles. The calculation results show that the design of sluice ，the model and parameters adopted for calculation are all rational. Key words soil mechanics ，finite element method ，3D consolidation ，nonlinear interaction ，interface element 1 概 述
苏州河河口水闸位于金山路对面，是上海市近期的一项重点工程，主要用来控制苏州河上游内河河水和下游外河海水水位。水闸规模：单孔，总宽102 m ，闸门采用液压102.0 m × 7.76 m 水下卧倒门。闸门全开时门叶与河床底面齐平，在一定水位条件下可利用门顶溢流形成景观。
此水闸主要平面见图1，主要水工建筑物有：
闸墩、基础钢管桩、底板、启闭机室、水下防渗体、上下游护坦、翼墙、原防汛墙等。水闸配套用房拟置于已存在的南岸空箱式防汛墙下和闸墩内，主体结构均位于现地面以下。水闸底板为一预制混凝土沉箱的整块结构，浮运至现场后沉放，搁置在闸墩上。为减少大跨度变形挠度对闸门底轴变形的影响，确定在苏州河两岸及河中心共设置3个闸墩(2个边墩、1个中墩)，边墩结构见图2。因地基土为典型
第23卷第12期王伟等. 苏州河河口水闸三维固结有限元计算 • 2055 •
的上海软土，故基础结构采用钢管桩沉井，桩长约60 m，桩尖标高为－72 m，桩身主要土层为灰色粘质粉土和灰色粘土，持力层为砾砂层。
图1 水闸结构平面图
Fig.1 Plane figure of sluice
图2 水闸边墩结构剖面
Fig.2 Profile of side pier
2 计算模型建立
在综合比较多种水运水利工程计算模型的基础上[1～5]，本文采用空间Biot非线性固结有限元模型，对水闸的地基、基础与结构的相互共同作用问题及其时间效应进行计算分析。根据对称性，取水闸一半进行计算。采用CAD技术结合自动剖分程序，对水闸沿竖直向划分21个水平剖面进行剖分，主要单元是6面体8结点等参单元。
河床地基土顶面高程为－3.3 m。计算深度取至
－82.0 m高程。对孔压边界作如下处理：钢沉井、钢筋混凝土预制沉箱及水下混凝土构件的内结点和
－3.3 m及以上高程所有部位无超静孔压；河床上下游护坦表面作为已知零孔压边界；其他部位超静孔
压由固结计算确定。
为了准确模拟水闸结构的几何及物理接触条件[6～7]，桩周围设置厚度0.1 m的接触滑移单元，模拟结
构与周围介质的相互作用；在闸底板沉箱与两端闸墩基础界面之间设置软单元，模拟其间的铰接形式。
土体采用Duncan非线性模型，其相应参数则参考上海地区已有的土性资料[8]采用类比法拟定；钢质材料、混凝土材料、止水(柔性)缝均采用线弹性模型。材料的计算参数见表1，2。表2中的R f 表示土的破坏比，其他参数意义见文[9]。
表1 线性模型材料参数
Table 1 Material parameters of linear model
材料名称E/MPa µK/cm・s－1
钢质材料210 000 0.10 10－9
混凝土材料23 000 0.17 5*10－9
止水缝和填料 2.0 0.30 10－9
3 计算工况与荷载
大鼋
主要计算了水闸竣工使用时的挡河、挡潮等工况。挡河工况内、外河的水位分别为3.50，0.24 m；挡潮工况内、外河的水位分别为2.50，6.26 m。
计算中所有处于水下的地基土和结构材料均采用浮容重，以体现浮力的作用。荷载分4级施加。
表2 Dancun非线性模型材料参数及渗透系数
Table 2 Soil parameters of nonlinear Duncan model and soil epage coefficient 材料名称 R f K n G F D c′/kPa φ′/(°) γ′/kN・m－3 K ur K/10－5 cm·s－1 杂填土 0.92 120 0.60 0.33 0.1 0.8 0.0 30 9.0 300 1.0
灰粘质粉土 0.86 75 0.50 0.34 0.1 1.2 0.0 30 8.3 200 1.0
灰色粘土 0.86 93 0.42 0.34 0.1 0.8 10.0 30 7.8 230 0.1
灰色砾砂 0.80 400 0.44 0.33 0.1 1.0 0.0 34 9.0 999 10.0
人工填沙 0.85 180 0.50 0.38 0.1 1.0 0.0 30 8.0 450 500
桩－灰色粘土弱化（接触）单元 0.82 100 0.35 0.30 0.1 1.0 10.0 28 8.0 250 0.1
钢桩－灰色砾砂弱化（接触）单元 0.80 150 0.40 0.30 0.1 1.0 1.0 30 9.0 375 1.0
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第1级为基础钢管桩的自重和地应力；第2级为边、中闸墩及上部结构自重；第3级为钢筋混凝土预制沉箱及闸门自重，此时对应为施工结束工况；第4级为闸门运行的水压力及各种荷载施加，包括沉箱顶板上水压力与底板下浮托力、闸门的启闭对闸墩施加的作用力及作用于闸墩上的水压力、河岸土压力，挡河、挡潮工况有别。各种荷载施加完毕后，取时间步长3～6个月，进行固结计算，当初始孔压自由点中95%的点超静孔隙水压力小于0.01 kPa 时，认为地基土的固结完成，本计算对应的时间为第4级荷载施加完毕后450 d。
4 计算结果与分析
4.1闸墩、沉箱底板竖向沉降
各种工况下边墩岸侧边缘、河侧沉降沿Y方向的分布绘于图3。其图例中，“施工岸侧”表示施工结束时边墩岸侧边缘的沉降，“挡潮固结河侧”表示挡潮工况固结完成时边墩河侧边缘的沉降，其它类同。由图3可见，挡潮、挡河固结完成时边墩的沉降大于施工结束时的沉降，这是由水压力的施加和土体自身的固结引起的；整个边墩底板沉降的绝对值并不大，约为2 cm左右；底板向下游有一定程度的倾斜，
但差异沉降非常小，仅为几个毫米；此倾斜基本是线性的，说明边墩具有足够的刚性，底面在各工况下基本保持平面。由计算可知，各种工况下中墩上游边缘、下游边缘沉降绝对值约为2.8 cm，大于边墩的沉降；但差异沉降非常小，几乎为零。
图3 边墩沉降沿Y方向分布
Fig.3 Vertical ttlement distribution along Y of side
foundation raft
图4，5分别是各工况下沉箱底板的上、下游沉降分布图。由图4，5可见，闸门钢筋混凝土预制沉箱底板的沉降规律是：在任一工况下，由于边、中墩的差异沉降，闸门钢筋混凝土预制沉箱底板平面沿X方向表现出了差异沉降和挠曲变形，但均很微小；由于地基发生了一定的固结沉降，所以地基固结完成后沉降量大于施工完成时的沉降量；由于挡潮工况的水头略大于挡河工况的水头，故挡潮工况下的沉降量也略大；边、中闸墩的上游边缘沉降与下游边缘沉降不一致，是由于沉箱的上、下游侧受力不均衡。上游侧和下游侧的挠曲线不一样，说明此时沉箱的平面沿Y方向有微小倾斜。
图4 沉箱底板上游侧沉降
Fig.4 Upstream ttlement of caisson raft
图5 沉箱底板下游侧沉降
Fig.5 Downstream ttlement of caisson raft
4.2闸墩、沉箱底板河流向(Y向)位移
图6～8分别是各工况下边、中闸墩、沉箱上下
游侧底板沿河流向(Y向)的变形情况。由图可见，正
常情况下，闸底板沉箱、边墩有2～3 mm的位移，
中墩的位移量从总体看是很微不足道的；它们的位
移方向主要以向上游为主，闸底板沉箱的位移主要
是由于边、中墩的位移差引起的刚体位移，并不是
底板真的发生了如此大小的变形。在挡河与挡潮工
况下的Y向的位移量与施工结束时相比也相差甚
微，这是由于水闸自重是主要荷载。总体看来闸墩
好居家与沉箱底板在Y方向的位移均不大，闸墩基本是刚
性位移；沉箱底板在由闸墩引起的刚性位移的基础
上还有微量的挠曲变形，表现为图8中的变形曲线
不是直线。
Y/m
沉
降
s
/
m
m红枫的诗句
X/m
沉
降
s
/
m
m
挡河固结
X/m
沉
降
s
/
m
m
第23卷 第12期 王 伟等. 苏州河河口水闸三维固结有限元计算 • 2057 •犄角之势
图6 水闸边墩Y 向位移
Fig.6 Displacement along Y of side foundation
图7 水闸中墩Y 向位移
Fig.7 Displacement along Y of middle foundation
图8 沉箱上游侧底板Y 向位移
Fig.8 Displacement along Y of upstream caisson raft
4.3 钢管桩桩顶反力分析
各工况下基础钢管桩的竖向桩顶反力列于表3，桩位布置如图9。
由表3可见，基础钢管桩群桩基础中的各桩竖向反力有一些差异：角桩最大，边桩次之，中桩最小；边墩各桩比中墩各桩的竖向反力略小，这是因为中墩的沉降略大，桩侧摩阻力发挥略多一些。另外各桩顶竖向轴力随时间有所增大，这主要是因为桩身刚度大，且桩端土层性质较好，桩端不易刺入，相对而言桩的支承作用很大；桩间软弱地基土产生了一定的固结沉降，这就对桩施加了较大的负摩阻力，迫使桩承受了更大的力。这种现象与建筑工程中刚性承台桩基础的计算结果或测试结果相类似，具有一般性[9，10]。
表3 边墩基础桩桩顶竖向反力表
Table 3 Vertical resistance of piles of side piers 10 kN
桩编号
施工 完成 挡河 固结 挡潮 固结
桩编号 施工 完成 挡河 固结 挡潮 固结 1 149 153 165 17 103 108 113 2 98 101 106 18 161 166 179 3 90 94 97 19 96 101 104 4 91 95 98
20 96 101 104 5 89 92 95 21 95 100 102 6 87 91 92 22 94 99 100 7 89 94 94 23 95 101 101 8 124 130 126 24 138 145 141 9 145 149 160
属性块25 169 177 187 10 93 97 101 26 225 233 251 11 86 90 93 27 163 171 178 12 87 91 93 28 166 176 181 13 85 90 91 29 163 173 176 14 84 88 89 30 158 168 170 15 85 90 90 31 157 167 167 16
121
127
123
32
200
211
207
图9 边墩基础桩位置图 Fig.9 Positions of piles of side piers
5 结 语
对苏州河河口水闸结构采用空间Biot 非线性固结有限元计算，结果显示：在挡河与挡潮任一工况下，水闸结构与地基变形的绝对量值和相对量值均不大，差异沉降也较小，应认为属于正常；挡潮工况计算的各种量值均略大于挡河工况的对应计算值；对于挡潮与挡河两种工况，地基固结沉降完成时各种量值都较水闸施工结束时的计算值有所增大；基础钢管桩各桩竖向反力有一些差异，表现为：角桩最大，边桩次之，中桩最小。
31
23 15
7 20 28 12
4 1 2 3 9
18
26
17 10
25 19
11 27
5 6 13 29
21 14 22 30 8 16
32 24 05101520
Y /m
位移δ /m m
－－－－
鼠标双击
位移δ /m m
－位移δ /m m
• 2058 • 岩石力学与工程学报 2004年
水闸基础的沉降和基础桩受力等计算结果的综合分析说明：苏州河河口水闸的设计是合理且十分巧妙
的；计算结果反映了水闸结构的总体受力变形规律；同时也说明所取的计算模型是正确的、相应计算参数能基本符合水闸整个系统的实际情况。
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