對水閘地基沉降計算的思考

朱 磊

（宿州市水利水電建筑勘測設計院 宿州 234000）

水閘基礎地基設計須滿足三項基本原則：一是保證持力層地基土體穩定性（滲流穩定性及整體穩定性），二是控制地基沉降變形量在容許值以內，三是滿足基礎結構強度、剛度及耐久性要求。可見水閘地基沉降計算不是孤立的，與其上部結構剛度相輔相承，通常按以下順序進行基礎地基設計：先擬定閘室結構型式及尺寸，再進行地基穩定性計算，地基穩定滿足要求后進行地基沉降計算，沉降計算中如發現地基有過大的沉降量及沉降差后，較少考慮優化改進上部閘室結構型式，直接進行地基處理設計以改善地基性能，直到地基滿足設計規范要求為止。

隨著計算機及相關結構計算軟件發展，目前設計步驟中，如果地基土壓縮性為中等以上，可以考慮在地基、基礎、上部結構三者之間的變形協調條件和靜立平衡條件，利用計算機進行閘室整體的相互作用定性分析，從而提出優化改進的閘室整體結構設計方案，充分利用結構自身剛度優勢，進而可控制地基沉降量在規范容許值以內。

1 問題的提出

水閘地基沉降設計：控制水閘地基沉降量，使之不超過水閘地基變形容許值，以免引起基礎不利截面、上部結構的損壞和閘門的啟閉，或影響結構的使用功能和外觀。《水閘設計規范》（SL265-2016）（以下簡稱《閘規》）中 8.3.7條：土質地基允許最大沉降量和最大沉降差應以保證水閘安全和正常使用為原則，并根據具體情況確定。天然土質地基上水閘地基最大沉降量不宜超過15cm，相鄰部位的最大沉降差不宜超過5cm。《閘規》中8.3.8條：對于軟土地基上的水閘，當計算地基最大沉降量或相鄰部位的最大沉降差超過規定的允許值時，宜采用下列一種或幾種措施：變更結構型式或加強結構剛度，采用沉降縫隔開，改變基礎型式或剛度，調整基礎尺寸與埋置深度，必要時對地基進行人工加固，安排合適的施工程序，嚴格控制施工速率。《閘規》8.1.8條：沉降解決方案要求首先考慮加強閘室整體性及剛度的方法，可以取得較好的技術經濟效益；其次考慮設置沉降縫；同時指出，隨著社會對環保要求的日益提高，盡量避免采用單一孤立的地基處理方案，因為地基處理會造成一些難以解決的環境影響問題。

2 工程實例

現以某水閘一聯三孔敞開式水閘閘室結構地基沉降計算為例，定性說明采用加強閘室整體性及剛度的方法對減小地基沉降作用的影響。設計參數：場地地震基本烈度為6度，閘基持力層為第層重粉質砂壤土，中等壓縮性，飽和重度19.4kN/m3，滲透系數6×10-4cm/s，內摩擦角計算取值30°，彈性模量5.5MPa，泊松比0.3；閘室鋼筋混凝土標號C25，底板相對高程0.00。原水閘設計方案閘室橫剖面結構見圖1。

圖1 3號單元閘室橫剖面結構圖

對一般較高的閘室結構來說，由于邊墩受邊荷載影響較大，為改善閘室結構受力狀況，減少地基不均勻沉降，一般在邊墩與側向回填土之間設置空箱形擋墻過渡性結構，同時兼做閘室邊墩及橋頭堡基礎，由于空箱與閘室分別承擔的荷載重量不同，習慣性在兼做邊墩的空箱結構與閘室邊跨底板之間設置沉降縫，縫寬2～3cm。一般情況下，水閘蓄水后，由于地基空隙中充滿了水質，沉降量相比完建期要小，所以水閘地基沉降計算中控制工況一般為完建期。取完建期工況，利用Autobank7.51程序對原方案上游3號簡化單元進行變形及計算分析：大底板地基最終沉降量14cm，兩側空箱沉降縫處地基最終沉降量15.2m，不滿足規范要求；空箱最大彎矩處為邊墩墻根部566kN·m，大底板最大負彎矩值159kN·m，而簡支小底板最大負彎矩值則達到300kN·m，內力分布也不均勻，計算結果不甚合理。

考慮改善地基、基礎、上部結構三者之間的變形協調條件，將原閘室結構設計方案優化改進。在不改變原有結構構件尺寸的原則下，改進的方案在《閘規》容許的溫度長度范圍內將空箱與閘室、檢修橋與閘室固結合并，取消2條沉降縫和空箱內部填土，增設配重進水洞口；以上措施不僅增強了水閘整體剛度，且部分減輕了水閘自重。優化后現水閘設計方案閘室橫剖面結構見圖2。

圖2 優化方案閘室3號單元橫剖面圖

同樣取完建期工況，利用Autobank7.51程序對優化后上游3號簡化單元進行變形及計算分析：底板中部地基最終沉降量14.3cm，兩側空箱沉降縫處最大地基最終沉降量14.5m，滿足規范要求；空箱最邊墩墻根部彎矩137kN·m，大底板最大負彎矩值247kN·m，最大正彎矩值214kN·m，內力分布均勻，計算結果合理。

兩種方案計算結果圖形對比見圖3。

圖3 兩種方案計算結果對比圖

3 結語

（1）設空箱邊墻+筏板基礎并滿足一般使用功能的水閘，在中等及以上壓縮性土質地基上，在長度滿足溫度效應的影響下，兩者結構可以合并，形成一個具有整體剛度箱型基礎，對于地基不均勻沉降、結構內力的均勻分布具有很好的控制作用。

（2）施加在整體結構荷載盡量均勻，一般多為結構的自重效應影響較大。例如兩側橋頭堡采用輕質填充墻體，并盡量減少不必要的裝飾與層數。

（3）整體結構的形成減少了沉降縫的數量，簡化了施工工序，避免了沉降縫處門槽的變形，方便了結構正常使用■