對(duì)水閘地基沉降計(jì)算的思考

朱 磊

（宿州市水利水電建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院 宿州 234000）

水閘基礎(chǔ)地基設(shè)計(jì)須滿足三項(xiàng)基本原則：一是保證持力層地基土體穩(wěn)定性（滲流穩(wěn)定性及整體穩(wěn)定性），二是控制地基沉降變形量在容許值以內(nèi)，三是滿足基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及耐久性要求?？梢娝l地基沉降計(jì)算不是孤立的，與其上部結(jié)構(gòu)剛度相輔相承，通常按以下順序進(jìn)行基礎(chǔ)地基設(shè)計(jì)：先擬定閘室結(jié)構(gòu)型式及尺寸，再進(jìn)行地基穩(wěn)定性計(jì)算，地基穩(wěn)定滿足要求后進(jìn)行地基沉降計(jì)算，沉降計(jì)算中如發(fā)現(xiàn)地基有過大的沉降量及沉降差后，較少考慮優(yōu)化改進(jìn)上部閘室結(jié)構(gòu)型式，直接進(jìn)行地基處理設(shè)計(jì)以改善地基性能，直到地基滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求為止。

隨著計(jì)算機(jī)及相關(guān)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件發(fā)展，目前設(shè)計(jì)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(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)三者之間的變形協(xié)調(diào)條件和靜立平衡條件，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行閘室整體的相互作用定性分析，從而提出優(yōu)化改進(jìn)的閘室整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，充分利用結(jié)構(gòu)自身剛度優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而可控制地基沉降量在規(guī)范容許值以內(nèi)。

1 問題的提出

水閘地基沉降設(shè)計(jì)：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(chǔ)不利截面、上部結(jié)構(gòu)的損壞和閘門的啟閉，或影響結(jié)構(gòu)的使用功能和外觀。《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）（以下簡(jiǎn)稱《閘規(guī)》）中 8.3.7條：土質(zhì)地基允許最大沉降量和最大沉降差應(yīng)以保證水閘安全和正常使用為原則，并根據(jù)具體情況確定。天然土質(zhì)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?！堕l規(guī)》中8.3.8條：對(duì)于軟土地基上的水閘，當(dāng)計(jì)算地基最大沉降量或相鄰部位的最大沉降差超過規(guī)定的允許值時(shí)，宜采用下列一種或幾種措施：變更結(jié)構(gòu)型式或加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，采用沉降縫隔開，改變基礎(chǔ)型式或剛度，調(diào)整基礎(chǔ)尺寸與埋置深度，必要時(shí)對(duì)地基進(jìn)行人工加固，安排合適的施工程序，嚴(yán)格控制施工速率?！堕l規(guī)》8.1.8條：沉降解決方案要求首先考慮加強(qiáng)閘室整體性及剛度的方法，可以取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益；其次考慮設(shè)置沉降縫；同時(shí)指出，隨著社會(huì)對(duì)環(huán)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?yàn)榈鼗幚頃?huì)造成一些難以解決的環(huán)境影響問題。

2 工程實(shí)例

現(xiàn)以某水閘一聯(lián)三孔敞開式水閘閘室結(jié)構(gòu)地基沉降計(jì)算為例，定性說明采用加強(qiáng)閘室整體性及剛度的方法對(duì)減小地基沉降作用的影響。設(shè)計(jì)參數(shù)：場(chǎng)地地震基本烈度為6度，閘基持力層為第層重粉質(zhì)砂壤土，中等壓縮性，飽和重度19.4kN/m3，滲透系數(shù)6×10-4cm/s，內(nèi)摩擦角計(jì)算取值30°，彈性模量5.5MPa，泊松比0.3；閘室鋼筋混凝土標(biāo)號(hào)C25，底板相對(duì)高程0.00。原水閘設(shè)計(jì)方案閘室橫剖面結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 3號(hào)單元閘室橫剖面結(jié)構(gòu)圖

對(duì)一般較高的閘室結(jié)構(gòu)來說，由于邊墩受邊荷載影響較大，為改善閘室結(jié)構(gòu)受力狀況，減少地基不均勻沉降，一般在邊墩與側(cè)向回填土之間設(shè)置空箱形擋墻過渡性結(jié)構(gòu)，同時(shí)兼做閘室邊墩及橋頭堡基礎(chǔ)，由于空箱與閘室分別承擔(dān)的荷載重量不同，習(xí)慣性在兼做邊墩的空箱結(jié)構(gòu)與閘室邊跨底板之間設(shè)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(zhì)，沉降量相比完建期要小，所以水閘地基沉降計(jì)算中控制工況一般為完建期。取完建期工況，利用Autobank7.51程序?qū)υ桨干嫌?號(hào)簡(jiǎn)化單元進(jìn)行變形及計(jì)算分析：大底板地基最終沉降量14cm，兩側(cè)空箱沉降縫處地基最終沉降量15.2m，不滿足規(guī)范要求；空箱最大彎矩處為邊墩墻根部566kN·m，大底板最大負(fù)彎矩值159kN·m，而簡(jiǎn)支小底板最大負(fù)彎矩值則達(dá)到300kN·m，內(nèi)力分布也不均勻，計(jì)算結(jié)果不甚合理。

考慮改善地基、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)三者之間的變形協(xié)調(diào)條件，將原閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化改進(jìn)。在不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的原則下，改進(jìn)的方案在《閘規(guī)》容許的溫度長(zhǎng)度范圍內(nèi)將空箱與閘室、檢修橋與閘室固結(jié)合并，取消2條沉降縫和空箱內(nèi)部填土，增設(shè)配重進(jìn)水洞口；以上措施不僅增強(qiáng)了水閘整體剛度，且部分減輕了水閘自重。優(yōu)化后現(xiàn)水閘設(shè)計(jì)方案閘室橫剖面結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 優(yōu)化方案閘室3號(hào)單元橫剖面圖

同樣取完建期工況，利用Autobank7.51程序?qū)?yōu)化后上游3號(hào)簡(jiǎn)化單元進(jìn)行變形及計(jì)算分析：底板中部地基最終沉降量14.3cm，兩側(cè)空箱沉降縫處最大地基最終沉降量14.5m，滿足規(guī)范要求；空箱最邊墩墻根部彎矩137kN·m，大底板最大負(fù)彎矩值247kN·m，最大正彎矩值214kN·m，內(nèi)力分布均勻，計(jì)算結(jié)果合理。

兩種方案計(jì)算結(jié)果圖形對(duì)比見圖3。

圖3 兩種方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

3 結(jié)語

（1）設(shè)空箱邊墻+筏板基礎(chǔ)并滿足一般使用功能的水閘，在中等及以上壓縮性土質(zhì)地基上，在長(zhǎng)度滿足溫度效應(yīng)的影響下，兩者結(jié)構(gòu)可以合并，形成一個(gè)具有整體剛度箱型基礎(chǔ)，對(duì)于地基不均勻沉降、結(jié)構(gòu)內(nèi)力的均勻分布具有很好的控制作用。

（2）施加在整體結(jié)構(gòu)荷載盡量均勻，一般多為結(jié)構(gòu)的自重效應(yīng)影響較大。例如兩側(cè)橋頭堡采用輕質(zhì)填充墻體，并盡量減少不必要的裝飾與層數(shù)。

（3）整體結(jié)構(gòu)的形成減少了沉降縫的數(shù)量，簡(jiǎn)化了施工工序，避免了沉降縫處門槽的變形，方便了結(jié)構(gòu)正常使用■