水利樞紐沉降差計算深度探討

胡一凡

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434）

水利樞紐根據不同功能，分為防洪、灌溉（或供水）和航運等，一般由水閘閘室、泵站廠房、船閘閘室等主體建筑物與副廠房、安裝間、管理樓等輔助建筑物組成，為了減少占地和投資，同時又便于施工和管理，各個水工建筑物之間應盡量布置緊湊。根據水利樞紐布局緊湊的特點，為確保建筑物的安全和正常使用，結構設計中應充分考慮建筑物在設計使用年限內既不能發生過量沉降，又要嚴格控制相鄰建筑物之間的沉降差，參照《水閘設計規范》（SL265-2001）相關規定，即單體建筑物的最大沉降量不宜大于15 cm，而相鄰部位的最大沉降差控制更為嚴格，不宜大于5 cm[3]。在沉降分析中，按照規范規定分別確定各建筑物下地基壓縮層計算深度時，其計算深度大小不一，有時甚至相差很大，本文結合沉降計算原理及工程案例分析，對分析相鄰建筑物沉降差時計算深度的取值進行探討分析。

1 沉降計算原理

1.1 計算方法

基于理論上一定的局限性，以及地基復雜的實際情況難以通過勘察實驗來得到精確衡量，因此，要準確地計算地基沉降量是很困難的，任何沉降計算方法都只能是近似的。目前我國水利行業相關規范中采用的沉降計算公式雖然形式不同，但都基于同一基本假定，即假定地基的沉降是由于在結構物荷載作用下，基底壓力線性分布，附加應力計算采用彈性理論，基底下有限厚度的壓縮層在不能側脹條件下壓實的結果，采用的是同一方法,即分層總和法[1-4]。

分層總和法是在地基沉降計算深度范圍內劃分為若干層，計算各分層的壓縮量，然后求其總和。計算時應先按相關規定確定地基沉降計算深度，且在地基沉降計算深度范圍內進行分層，然后計算基底附加應力，各分層的頂、底面處自重應力平均值和附加應力平均值。通常假定地基土壓縮時不允許側向變形（膨脹），即采用側限條件下的壓縮性指標。為了彌補這樣得到的沉降量偏小的缺點，通常取基底中心點下的附加應力計算地基最終沉降量。分層總和法計算公式如下：

式中：S為地基的最終沉降量；Esi為第i分層的壓縮模量；ΔPi為第i分層土的平均附加應力；hi為第i分層土的厚度; e1i為第i層土在自重應力作用下的孔隙比；e2i為第i層土在自重應力和附加壓力共同作用下的孔隙比；m為經驗系數。

1.2 計算深度的確定

合理確定壓縮層深度是影響沉降分析的重要因素。基底應力往下傳遞的范圍是有限的，且隨深度減小，而土體連接強度隨著深度遞增，可壓縮性也越小，但附加應力引起土體壓縮的影響范圍，目前仍難以在理論上得到精確判斷。因此，在沒有明顯巖基或不可壓縮層的情況下，沉降計算深度只能憑借經驗，假設在某一深度以下附加應力所引起的土層壓縮對建筑物己無實際意義，計算基礎沉降量時只需考慮這一深度以上土層的壓縮量，所得到的成果能夠滿足工程設計的需要。

沉降計算深度的確定方法主要有兩大類:應力比法和應變比法。應力比法的原理主要以計算地基附加壓力與土自重壓力之比達到一定數值作為壓縮層厚度的確定標準[1,3,4]。應變比法的原理主要為地基壓縮層厚度自基礎底面算起，算到某一厚度土層的壓縮量滿足一定條件的深度作為壓縮層厚度[2]。兩種方法都存在不足之處，應力比法是早期沿用前蘇聯規范中的方法,計算簡便,而且沿用成為習慣,并具有相當的應用經驗,在現行規范中使用的更加廣泛。

2 沉降差計算深度的探討

地基沉降計算是水利樞紐工程設計中的重要內容，在分析相鄰建筑物沉降差的時候，由于各建筑物結構差異，根據相關規范按應力比法分別確定地基壓縮層計算深度時，其計算深度大小不一，有時甚至相差很大，這與實際情況顯然不符。從工程設計角度考慮，筆者認為應考慮統一地基壓縮層深度，并采用其中的最大計算深度進行沉降差的計算分析，理由主要又以下幾點：

（1）計算模型的統一

計算深度是對基底應力往下傳遞深度及土體可壓縮性范圍的假設。水利樞紐作為多個建筑物的綜合體，且布局集中、緊湊，整體應視為處于同一地基模型上，在計算每個單體建筑物地基變形時均考慮相鄰建筑物附加荷載的影響，理應統一考慮壓縮層深度和基底應力往下傳遞深度，以此對相鄰建筑物沉降差進行計算分析，這樣計算得到的結果更具對比性，也更符合實際情況。

（2）不利條件的控制

地基土的應力-應變關系十分復雜，沉降計算方法是采用盡量簡單的力學模型，反應地基土在外荷載作用下最基本的變形特性，便于實驗提供土性參數進行定量計算，以供工程設計中對建筑物沉降進行評估、分析。因此，沉降計算深度是為了簡化計算過程，人為假定的一個地基土的壓縮層范圍，其確定原則應以滿足工程設計需要為依據，能夠在各種不利條件下，將建筑物沉降控制在允許范圍內，從而確保建筑物的安全和正常使用為前提。比如，根據規范確定的計算深度以下有較軟土層時,從安全角度考慮，尚應增加深度進行計算。同理，按單體最大計算深度作為標準來復核相鄰建筑物的沉降差，計算成果更安全。

（3）嚴格要求的考量

水利樞紐中，一般單體建筑基礎尺寸和剛度比較大，對地基沉降的適應性比較強，因此在不危及結構安全和不影響使用功能的條件下，基礎的最大沉降量控制在15 cm以內是允許的。同時，水利樞紐作為多個建筑物的綜合體，當相鄰建筑物發生過大的沉降差將會影響軌道等設施正常運行，嚴重的甚至將破壞各建筑物之間的防水措施，危及建筑物安全，因此相鄰建筑物沉降差控制更為嚴格，需滿足小于5 cm的要求。根據相關規范規定確定的計算深度不可能完全和實際一致，但對于建筑物沉降量定性分析基本可控，而對于更為嚴苛的沉降差要求，計算條件的考慮不周就有可能在工程設計中留下隱患，因此宜按單體最大計算深度對相鄰建筑物沉降差進行復核。

3 工程案例分析

某水利樞紐由一座1×14m節制閘和一座40m3/s雙向泵站組成。節制閘與泵站并列布置在河道中央，泵站安裝間、副廠房（兼作管理樓）布置在河道西岸緊靠主泵房，泵站上下游側布置有進出水池。本文僅以主泵房和節制閘的沉降計算為例，初擬各建筑物基礎情況見表1。計算時各層土的壓縮模量均取該層土在自重應力至土的自重應力與附加應力之和的壓力段的實驗數據，各建筑物基礎下地質分層及土層壓縮模量詳見表2。

表1 各建筑物基礎統計表

表2 各建筑物基底附加應力計算表

基底附加應力按對應于荷載效應準永久組合時的基底應力來減去基底處土的自重應力確定。在計算每個單體建筑物地基變形時均考慮樞紐其他建筑物的影響，底板中心點下的附加應力按應力疊加原理采用角點法計算。基礎下方樁基礎的設計樁距不大于6倍樁徑，采用實體深基礎簡化計算[1]。根據《建筑樁基技術規范》（JGJ94－2008），按附加應力與自重應力之比為0.2確定的各建筑物地基壓縮層計算深度差異較大，主泵房為-24.5m高程，節制閘為-19.4m，計算深度高差達到5.1m。計算深度與應力比關系見表3。

樞紐各建筑物基礎最終沉降量計算值詳見圖2。根據計算結果，單體建筑物的最大沉降量均小于15 cm，節制閘與主泵房按各自計算深度計算的沉降差滿足不大于5 cm的要求；當統一到最低計算深度-24.5m高程時，出現了沉降差超過5 cm的情況，需進一步加強節制閘的地基處理來控制沉降差。

4 結語

地基沉降計算是水利樞紐工程設計中的重要內容，在水利工程建設中，因沉降量或不均勻沉降量超過允許值均會影響建筑物正常使用，造成工程事故，因此在分析相鄰建筑物沉降差的時候，有必要以相關規范規定為指導，結合沉降計算原理，合理判斷計算深度的取值，從安全角度出發，分析最不利情況來預估沉降量，以避免不均勻沉降帶來的危害。根據上述工程案例分析可以看出，按照相關規范要求確定的計算深度，滿足定性分析單體建筑物沉降量的需要，但不一定滿足要求更高的沉降差控制。為此，工程設計中宜統一最低計算深度對相鄰建筑物進行沉降差分析，使得計算模型統一更具對比性，計算成果更安全，同時也有利于嚴格控制沉降差。

圖1 各建筑物計算深度

圖2 各建筑物最終沉降量

[1]JGJ94-2008，建筑樁基技術規范[S].中國建筑工業出版社，2008.

[2]GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規范[S].中國建筑工業出版社，2011.

[3]SL 265-2001，水閘設計規范[S].中國水利水電出版社，2001.

[4]GB 50265-2010,泵站設計規范[S].中國計劃出版社，2011.