巖基上塢墻揚壓力計算方法探討

孔令學

（大連港口設計研究院有限公司，遼寧 大連 116001）

在船塢設計中，經常遇到船塢坐落在巖基上的情況。在塢墻結構計算中，塢墻基底揚壓力是主要荷載之一，如何計算基底揚壓力對塢墻結構設計具有重要意義。在我國船塢設計規范中均未明確給出塢墻基底揚壓力計算方法，只是提出了混合式塢墻水壓力的計算方法。本文通過對大壩、船閘等相關規范、資料的分析和研究，結合工程實際驗證，提出較合理的巖基上塢墻基底揚壓力計算方法。

1 相關規范計算方法分析

塢墻基底揚壓力由兩部分組成，一是墻前水位h1引起的浮托力，二是墻后水位h2與墻前水位差（hc=h2-h1）引起的滲透壓力，見圖1。關于墻前水位引起的浮托力各規范規定均相同，就不再探討其計算，本文重點探討墻后水位與墻前水位差引起的滲透壓力計算。

圖1 塢墻示意圖Fig.1 Schematic diagram of dock wall

由于巖石中的滲流基本上是沿裂隙進行的，因此巖石中的滲流不遵循達西定律，而巖基孔隙分布、本身裂隙很難弄清楚，加之灌漿帷幕和排水措施等因素，如何確定巖基上塢墻基底揚壓力比較困難，難以用精確的理論方法進行計算，也難以用試驗方法測定。現在，在工程上仍然是借助揚壓力原形觀測的成果進行類推比擬，用簡單的線性分布圖形確定揚壓力。通過對船塢、大壩、船閘等相關規范及資料的分析研究，影響塢墻基底揚壓力的因素主要包括以下3 個方面：1）巖基滲壓系數琢1；2）灌漿帷幕滲壓系數 琢2；3）面積系數茁。

過去在計算揚壓力中的滲透壓力時，所用“系數”的名稱不一，有“滲透壓力系數”、“滲壓系數”、“滲壓折減系數”、“滲透壓力強度系數”等，本文為簡明計，取用“滲壓系數”。

巖基滲流沿孔隙和裂縫流動，因此傳到塢墻底板上的滲透壓力不是作用在底板全部面積上，而是作用在這些孔隙和裂縫面積上。面積系數茁的取值與具體巖石及其裂縫尺寸有關。根據M.M.格里申[1]的研究，茁取0.70~0.95。在“巖基上船閘混合式閘墻計算方法探討[2]”中茁取0.8~1.0，我國其他船塢、大壩、船閘規范中，茁值均取1.0。根據試驗資料茁值則要小的多，但考慮到茁值的不確定性及其重要性，為安全考慮，建議茁取1.0。

巖基上塢墻基礎止水、降壓一般采用兩種方式：1）巖基較完整，基巖節理裂隙不發育，透水性極小，基礎不設灌漿帷幕措施；2）巖基條件不好，基巖節理裂隙發育，透水性較大，基礎設灌漿帷幕措施。若基礎不設灌漿帷幕措施，影響塢墻基底揚壓力的因素為巖基滲壓系數琢1；若基礎設灌漿帷幕措施，影響塢墻基底揚壓力的因素主要為巖基滲壓系數琢1 及灌漿帷幕滲壓系數琢2。各規范關于巖基滲壓系數琢1、琢2取值規定見表1。

表1 各規范巖基滲壓系數琢1、琢2 取值規定Table 1 Value for seepage pressure coefficient 琢1 and 琢2 of rock foundation in various codes

關于巖基滲壓系數琢1，我國混凝土重力壩設計規范中均未考慮折減，琢1 取1.0。我國船塢設計規范中規定巖基滲壓系數琢1根據巖石新鮮程度進行取值，未明確取值范圍及取值條件。在《船閘設計規范》[10]中提出琢1取0.3~1.0。而在《船閘水工建筑物設計規范》[11]中只提出了琢1 取值條件，考慮到不確定因素，未給出明確取值范圍。采用琢1取值的還有德國、瑞士、美國陸軍工程師團、美國田納西流域管理局等。基于以上分析，對于巖基較完整，基巖節理裂隙不發育，透水性極小，基礎不設灌漿帷幕措施的塢墻基底揚壓力計算，建議琢1取0.3~1.0，取值參照船閘相關設計規范確定：1）基巖節理裂隙不發育，地質條件良好時，取較小值；2）建筑物級別較高時，取較大值；3）塢墻承受的水頭較高時，取較大值；4）建筑物材料為混凝土時，取較小值；漿砌塊石取較大值；5）施工質量及地基處理良好時，取較小值。對于巖基條件不好，基巖節理裂隙發育，透水性較大，基礎設灌漿帷幕措施的塢墻基底揚壓力計算，建議琢1 取1.0。

關于灌漿帷幕滲壓系數琢2，我國船塢設計規范及船閘設計規范中均未規定。在《混凝土重力壩設計規范》（試行）[6]中明確規定單獨設灌漿帷幕時，琢2 取0.5~0.7。在1984 年發布的《混凝土重力壩設計規范（試行）補充規定》[7]中，設置灌漿帷幕及排水孔時，修改為只在壩基排水孔線上折減1 次，琢2綜合取0.2~0.3，在以后發布的重力壩設計規范中琢2取值又調整為0.25。從我國近年來若干重力壩揚壓力原型觀測實例中發現一個重要事實：在正常情況下，揚壓力的實測值比設計值小得多，一般只有設計揚壓力的60%耀70%，說明琢2 取值還是偏大。對于基礎設灌漿帷幕措施的塢墻基底揚壓力計算，建議琢2 取0.5~0.7，取值可按下列因素考慮確定：1）帷幕較長，進入弱透水巖層，取較小值；2）灌漿帷幕施工質量較好，取較小值。

2 塢墻基底揚壓力計算方法

基于以上分析，建議塢墻基底揚壓力計算按以下情況考慮。

圖2 揚壓力分布圖Fig.2 Distribution diagram of uplift pressure

基礎不設灌漿帷幕措施時，在塢墻后踵處揚壓力為 酌h1+琢1酌hc，塢墻前趾處為 酌h1，其間以直線連接。琢1 取0.3~1.0，取值按下列因素考慮確定：1）基巖節理裂隙不發育，地質條件良好時，取較小值；2）建筑物級別較高時，取較大值；3） 塢墻承受的水頭較高時，取較大值；4）建筑物材料為混凝土時，取較小值；漿砌塊石取較大值；5）施工質量及地基處理良好時，取較小值。揚壓力分布圖示如圖2（a）所示。

基礎設灌漿帷幕措施時，在塢墻后踵處揚壓力為 酌h1+琢1酌hc，帷幕中心線上為 酌h1+琢2酌hc，塢墻前趾處為 酌h1，其間均以直線連接。琢1 取1.0；琢2 取0.5~0.7，取值按下列因素考慮確定：1） 帷幕較長，進入弱透水巖層，取較小值；2）灌漿帷幕施工質量較好，取較小值。揚壓力分布圖如圖2（b）所示。

3 工程應用

1）舟山某船廠，1 號船塢主尺度380 m伊80 m伊13.7 m；2 號船塢主尺度400 m伊106 m伊13.7 m。塢墻為現澆鋼筋混凝土扶壁式重力結構。塢墻持力層為微風化凝灰巖，巖石較新鮮，堅硬，節理裂隙不發育，巖體基本質量等級為域級。滲透性等級為微透水，滲透系數為8.6伊10-6~2.7伊10-5cm/s。塢墻底板后側未設灌漿帷幕[12]。在此工程設計時琢1取0.5 進行塢墻基底揚壓力計算。

2）大連某船廠，1 號船塢主尺度250 m伊41 m伊12.5 m；2 號船塢主尺度360 m伊78 m伊13.5 m。塢墻為現澆鋼筋混凝土扶壁式重力結構。塢墻持力層為中風化板巖，巖石節理發育中等，巖體基本質量等級為郁級。滲透性等級為中等透水到弱透水，滲透系數為2.8伊10-3~9.7伊10-5cm/s。塢墻底板后側設灌漿帷幕，注漿孔設2 排，排距1.5 m，孔距2 m。孔深要求達基巖內滲透系數K臆3伊10-5cm/s層面，同時滿足長度逸12 m。止水帷幕滲透系數K臆1伊10-5cm/s。在此工程設計時 琢1取1.0，琢2取0.6 進行塢墻基底揚壓力計算。

舟山船廠于2011 年建成投產，距今已經9 a，大連船廠于2008 年建成投產，距今已經12 a，目前兩工程船塢運行良好，塢墻結構穩定。

4 結語

1） 本文通過對船塢、大壩、船閘等相關規范、資料的分析研究，結合船塢工程實際驗證，提出巖基上塢墻基底揚壓力計算方法，可為同類工程設計提供參考。

2）目前難以用精確的理論方法進行巖基上揚壓力計算，也難以用試驗方法測定。在工程上仍然是借助揚壓力原型觀測的成果進行類推比擬，船塢揚壓力原形觀測的成果很少，基本均參照大壩原形觀測的成果進行分析。從我國近年來若干重力壩揚壓力原型觀測實例中發現，在正常情況下，揚壓力的實測值比設計值小得多，一般只有設計揚壓力的60%耀70% ，因此我國現行設計規范中的揚壓力分布圖形可以適當減小，或者說滲壓系數琢的值還可以適當減小。