水閘垂直防滲墻體受力特性分析

季樹凱，張岳松

（天津水務投資集團有限公司，天津300204）

水閘垂直防滲墻體受力特性分析

季樹凱，張岳松

（天津水務投資集團有限公司，天津300204）

對水閘防滲體系布置進行簡要介紹，分析水閘在無樁基礎、端承型樁基礎和摩擦型樁基礎條件下垂直防滲墻體的受力特性，提出改善墻體結構受力的設計優(yōu)化措施。

水閘；防滲體系；基礎

1 引言

水閘是一種利用閘門擋水和泄水的低水頭水工建筑物。水閘建成后，在上下游水頭差的作用下，將在水閘基礎下產(chǎn)生滲流，對水閘產(chǎn)生不利影響；嚴重時，降低閘室的抗滑穩(wěn)定性，引起地基的滲透變形，造成安全隱患，甚至引起安全事故。因此，做好水閘地基防滲設計，對于保證水閘安全至關重要。

2 水閘防滲體系布置

水閘防滲體系布置中，上游鋪蓋、垂直防滲體及底板都是相對不透水的，下游消力池設排水孔，不阻水。在水頭H作用下，閘基內(nèi)的滲流將從排水孔逸出。不透水的鋪蓋、垂直防滲墻體及底板與地基的接觸線，即閘基滲流的第一根流線，稱為地下輪廓線，其長度為水閘的防滲長度。水閘的防滲布置，如圖1所示。

圖1 水閘防滲布置

水閘防滲設計首先要確定防滲長度，包括水平防滲和垂直防滲。水平防滲一般由上游鋪蓋和閘室底板組成，在水平防滲不能滿足滲流穩(wěn)定要求時，需要布置垂直防滲措施。垂直防滲滲徑是水平防滲的兩倍，防滲效果好，綜合造價合理，閘室上游常采用鋪蓋和垂直防滲墻體相結合的布置形式。

水閘的防滲排水布置應根據(jù)閘基地質條件和上下游水位差等因素綜合分析確定?！端l設計規(guī)范》（SL265-2001）規(guī)定，為保證水閘安全，初步擬定其所需的防滲長度計算公式為：

式中：L為水閘的防滲長度即閘基輪廓線水平段和垂直段長度總和（m）；H為上下游水頭差（m）；C為允許滲徑系數(shù)，依地基土性質而定。

由于地基土體在上部荷載和自重下的固結變形緩慢，特別是飽和軟土地基，垂直防滲墻體在地基土體因固結產(chǎn)生沉降時，受力特性是一個變化的過程，在不同的基礎形式下，其垂直防滲墻體與土體之間相互作用的機理是不同的。下面將區(qū)分無樁基礎和有樁基礎兩種不同工況，分析水閘在不同地基條件和基礎形式下垂直防滲墻體的受力情況。

3 無樁基礎垂直防滲墻體受力分析

水閘在上部荷載的作用下，土基壓縮變形大，將引起較大的沉降。當?shù)鼗鶟M足承載力要求時，在天然地基上修建水閘工程，地基將發(fā)生較大的變形。垂直防滲墻體一般采用混凝土或水泥土材質，其變形模量遠大于地基土體，垂直防滲墻體在荷載作用下的變形可忽略不計。墻體相對地基產(chǎn)生向下的相對運動，土體對墻體產(chǎn)生向上的摩擦阻力。一般情況下，在摩擦阻力和墻體自重雙重作用下，墻體可簡化為一受壓結構，假設地基土體性質均勻，則每延米墻體受力計算如圖2所示。

圖2 無樁基礎墻體受力計算

由圖2計算在距墻底x處墻身所受壓力公式為：

在墻頂與閘室底板交界處，墻身受力達到最大值，其計算公式為：

式中：Nx為每延米寬距墻底x截面處墻體所受壓力（N）;Nmax為每延米寬墻頂截面處墻體所受壓力（N）; qs為墻側土體平均摩阻力（N）;ρ為墻體材料密度（kg/m3）;g為重力加速度（m/s2）;d為墻體平均寬度（m）;x為計算截面距墻底的長度（m）;L為墻體高度（m）。

4 有樁基礎底板脫空防滲墻體受力分析

在軟弱地基上建閘，地基往往不能滿足水閘基礎承載力要求，工程中常采用樁基礎來提高地基承載力，最常用的樁基礎是鋼筋混凝土預制樁和鉆孔灌注樁。根據(jù)樁的受力特征可把樁分為端承型樁和摩擦型樁兩大類。端承型樁樁端深入到可靠層，承載力高，很容易滿足地基承載力要求，而且上部荷載全部作用在樁上，閘室沉降小，然而很容易產(chǎn)生水閘底板脫空現(xiàn)象，影響水閘安全運行。摩擦型樁樁端在軟土層中，主要靠樁與地基土間的摩擦力來承擔荷載，能很好地適應地基沉降，減少水閘底板脫空現(xiàn)象。然而在工程中，設計人員往往只考慮摩擦樁的承載力，樁設計過長、過密使摩擦樁承擔全部荷載，且經(jīng)長期作用地基上部軟土固結沉降值大于底板沉降時，同樣會產(chǎn)生水閘底板脫空問題。天津濱海軟土地區(qū)防潮閘中，設計雖采用摩擦型樁基礎，但底板大部分存在脫空現(xiàn)象。

防滲墻體設計長度相對于樁基礎要短，天津濱海地區(qū)防潮閘基礎設計一般小于樁基礎長度1/2。閘底板脫空造成底板失去防滲功能，使?jié)B徑減小，同時表明底板下一定范圍內(nèi)地基土體沉降大于底板及防滲墻體的沉降，地基相對墻體產(chǎn)生向下的相對運動，土地對墻體產(chǎn)生向下的摩擦阻力，即所謂負摩阻力。為分析方便，假定在墻體深度范圍內(nèi)，土體對墻體全部為負摩擦，對于端承型樁是成立的，對于摩擦型樁計算結果偏于保守。

一般情況下，在負摩阻力和墻體自重雙重作用下，墻體可簡化為一受拉結構，假設地基土體性質均勻，則每延米墻體受力計算如圖3所示。

圖3 有樁基礎墻體受力計算

由圖3計算在距墻底x處墻身所受拉力公式為：

在墻頂與閘室底板交界處，墻身受力達到最大值，其計算公式為：

式中：Tx為每延米寬距墻底x截面處墻體所受拉力（N）;Tmax為每延米寬墻頂截面處墻體所受拉力（N）; qsn為墻側土體平均負摩阻力（N）；其他符號意義同上。

5 墻體受力設計優(yōu)化建議

無樁情況下，墻體相對地基產(chǎn)生向下的相對運動，土地對墻體產(chǎn)生向上的摩擦力，墻體處于受壓狀態(tài)，墻體材料受壓能力一般能夠滿足受力要求。

端承型樁由于閘室沉降小，容易產(chǎn)生水閘底板脫空現(xiàn)象；摩擦型樁由于設計保守，同樣會產(chǎn)生水閘底板脫空問題。閘底板脫空表明地基相對墻體產(chǎn)生向下的相對運動，土地對墻體產(chǎn)生負摩阻力，墻體處于受拉狀態(tài)，墻體材料受拉能力一般遠小于受壓能力。特別是對于高壓旋噴樁成墻工藝來說，材料抗拉能力較差，容易造成墻體斷裂，致使其防滲功能失效，引起安全事故。

為避免墻體受拉或使拉應力盡可能減小，則需要避免產(chǎn)生負摩擦，即產(chǎn)生底板脫空現(xiàn)象。這樣一來，既能保證底板發(fā)揮正常的防滲效果，同時可以改善墻體受力性能。因此，合理進行樁基礎設計，使樁土共同承擔上部荷載，同時采用變剛度調平設計，根據(jù)上部結構和荷載分布情況，合理調整樁距、樁長和樁徑，使建筑物沉降趨于一致的同時避免出現(xiàn)底板脫空現(xiàn)象，使上部結構、底板和垂直防滲墻體受力性能都得到改善，避免出現(xiàn)拉應力狀態(tài)。

6 結語

水閘地基處理和基礎形式對水閘垂直防滲墻體受力產(chǎn)生重要影響。無樁基礎下，垂直防滲墻體處于受壓狀態(tài)；端承型樁，由于底板出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，垂直防滲墻體處于受拉狀態(tài)；摩擦型樁由于設計保守，使樁承擔全部荷載，同樣容易引起底板脫空問題，垂直防滲墻體處于受拉狀態(tài)。由于墻體材料一般受拉性能較差，當拉應力大于材料的抗拉能力時會使墻體開裂、防滲性能失效甚至嚴重影響水閘的運行安全。因此，在水閘樁基礎設計時，要聯(lián)系工程實際，總結以往的工程經(jīng)驗，合理選擇摩擦樁的長度和間距，考慮地基土承擔合適的荷載，這樣才能有效地解決樁和地基土沉降不一致的問題，避免底板脫空，保證水閘的安全運行。

TV66；TV135.3

A

1004-7328（2015）01-0061-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.01.022

2014-11-20

季樹凱（1975-），男，碩士，高級工程師，主要從事水利工程建設與管理工作。