鲁山坡段落地槽结构及地基承载力计算

□董永霞 □刘琳琳

（商丘市水利建筑勘测设计院）

一、工程概况

落地槽位于鲁山坡南坡脚的斜坡上，为一傍山渠道，与建筑物轴线垂直的冲沟发育，地形起伏较大。槽身左侧山坡开挖高度多在15m以上，最高达40m，槽身右侧填方高度一般在5.5m左右，最高达10m。

落地槽段轴线设计桩号为SH(3)10+383.1～SH(3)11+913.1，全长1530m，其中进口连接段长145m，包括出口检修闸15m、闸前与箱基渡槽连接段80m、闸后与落地槽单槽连接段50m；落地槽长1335m，出口渐变段长50m。

落地槽槽身为C30钢筋混凝土矩型断面，净宽22.2m，包含边墙和底板两部分，其中边墙高8.1m，底部厚1.2m，顶部厚0.5m，底板厚1.3m。

本文根据落地槽沿线不同的地质条件，选取不同的典型剖面，分别对边墙、底板及地基承载力进行结构计算。由于鲁山坡段落地槽地震基本烈度为Ⅵ度，进行结构计算时无需进行抗震设计计算。

二、边墙结构计算

（一）计算工况、参数及方法

边墙结构计算分为4种工况，即：完建工况（槽内无水）；设计工况（槽内设计水深6.8m，稳定地下水位）；加大水深工况（加大水深7.425m，稳定地下水位）；满槽水工况（满槽水深8.1m，稳定地下水位）。

结构计算参数主要包括边墙尺寸、边墙两侧回填土高度、回填土容重及回填土的内摩擦角、水的容重等。其中边墙高8.1m，底部厚1.2m，顶部厚0.5m；由落地槽在不同桩号下的横断面图知，落地槽槽身右侧填土高度一般在5.5m左右，所以计算时回填土高度取5.5m，容重取19.6kN/m3；已知回填土的内摩擦角为28°～40°，对边墙进行结构计算时，按最不利条件考虑，计算边墙外侧配筋时回填土内摩擦角取小值（28°），计算边墙内侧配筋时取大值（40°），水容重取10kN/m3。

边墙内力计算方法为常用的结构力学方法，按悬臂结构计算。计算土压力时，在完建工况下边墙土压力按静止土压力计算，其它工况下边墙土压力按主动土压力计算。

（二）计算结果

考虑到边墙内力在高度方向上变化很大，底部弯矩最大，顶部弯矩最小，因此分别选取边墙底部和边墙1/4高处进行结构计算。经计算，在完建工况下，边墙底部剪力为-262.13kN，力矩为-573.53kN·m，轴力为195.00kN；边墙1/4高处剪力为42.73kN，力矩为-49.49kN·m，轴力为128.25kN。在设计工况下，边墙底部剪力为166.74kN，力矩为405.87kN·m，轴力为195.00kN；边墙1/4高处剪力为88.27kN，力矩为151.65kN·m，轴力为128.25kN。在加大水深工况下，边墙底部剪力为211.19kN，力矩为564.06kN·m，轴力为195.00kN；边墙1/4高处剪力为120.07kN，力矩为232.63kN·m，轴力为128.25kN。在满槽水工况下，边墙底部剪力为263.59kN，力矩为767.56kN·m，轴力为195.00kN；边墙1/4高处剪力为158.80kN，力矩为343.86kN·m，轴力为128.25kN。

由以上边墙内力计算结果可知，边墙外侧配筋由完建工况控制，内侧配筋由满槽水工况控制。依据《水工钢筋混凝土结构设计规范》，计算边墙底部外侧配筋面积为2633.5mm2，内侧配筋面积为3392.8mm2；边墙1/4高处外侧配筋面积为1459.5mm2（构造配筋），内侧配筋面积为1713.3mm2。

三、底板结构计算

（一）计算工况、参数及方法

底板结构计算工况同边墙结构计算工况，即：完建工况、设计工况、加大水深工况和满槽水工况。已知底板总宽24.6m，厚1.3m，其它计算参数同边墙的计算参数。底板结构计算采用弹性地基梁法，计算模型为顺水流方向取1m槽身。

落地槽为单槽矩形断面，所受水平力对称，不需要进行抗滑稳定计算。

由《南水北调中线一期工程总干渠沙河南至黄河南段工程沙河渡槽段初步设计工程地质专题报告图册》中鲁山坡流槽轴线工程地质剖面图知，鲁山坡段落地槽槽身主要坐落在9种岩层上，即：石英砂岩夹页岩、砂岩、片麻岩、砾岩、粘土岩、粉质粘土、碎石、砾质重粉质壤土和重粉质壤土。

根据《水闸设计规范》（SL265-2001）：当底板按弹性地基梁计算时，对于边荷载的考虑采用下列原则规定：如果边荷载使底板的内力减小，则边荷载的影响不予考虑。如果边荷载使底板内力增加，则考虑其全部边荷载。

（二）计算结果

本文选取岩性最差的重粉质壤土，以计入边荷载和不计入边荷载两种情况分别进行底板结构计算。计算时规定底板弯矩（M）以外侧受拉为正，内侧受拉为负。经计算，在计入边荷载情况下，完建工况，M（+）=503.23kN·m，M（-）=-854.52kN·m；设计工况，M（+）=0kN·m，M（-）=-694.58kN·m；加大水深工况，M（+）=0kN·m，M（-）=-766.92kN·m；满槽水深工况，M（+）=0kN·m，M（-）=-905.23kN·m。在不计入边荷载情况下，完建工况，M（+）=553.46kN·m，M（-）=0kN·m；设计工况，M（+）=446.03kN·m，M（-）=-370.30kN·m；加大水深工况，M（+）=402.59kN·m，M（-）=-524.11kN·m；满槽水深工况，M（+）=553.46kN·m，M（-）=-722.71kN·m。

由以上底板内力计算结果可知，底板外侧配筋由完建工况控制，内侧配筋由满槽水工况控制。依据《水工钢筋混凝土结构设计规范》，计算底板外侧配筋面积为2302.00mm2，内侧配筋面积为3300.00mm2。

四、地基承载力计算

由落地槽横断面知，底板总宽24.6m，厚1.3m，两端边墙净高8.1m，底板端头刚度大，中间部位刚度小，且两端在土压力、水压力所产生的力偶及边墙自重作用下，受力极不均匀，地基反力也相差很大。本次计算采用弹性地基梁法，计算模型为顺水流方向取1m槽身。

计算时分别对石英砂岩夹页岩、砂岩、片麻岩、砾岩、粘土岩、粉质粘土、碎石、砾质重粉质壤土和重粉质壤土9种岩层进行地基应力计算，计算按最不利条件（不考虑边荷载）考虑，经计算，地基应力由满槽水工况控制，其中在石英砂岩夹页岩地基条件下，底板跨中最大地基应力为116.48kPa，端部最大地基应力为479.26kPa，其它各岩层跨中最大地基应力为87.26kPa～88.64kPa，端部最大地基应力为318.76kPa～321.04kPa。

由地基应力图知，落地槽基础端头地基应力较大，跨中地基应力趋于均布，两端根部距离基础中心约1/3区域，地基应力骤降厉害，对于地基承载力较小的地基，存在着该部位平均地基应力大于地基承载力标准值问题。考虑到底板两端在一定深度范围内由于发生塑性变形，会引起地基应力的重新分布，从而削减两端地基应力的峰值，根据《水闸设计规范》SL265-2001确定的地基容许塑性变形区开展深度（落地槽取3m），用CK法验算土质地基的整体稳定，经计算CK值（满足极限平衡条件时所需的地基土最小粘结力）小于计算点土体的粘结力，因此地基整体稳定基本能满足要求。

五、结论及建议

根据落地槽结构体型及受力条件，进行结构计算后，结果如下：边墙底部：外侧配筋 φ25@150（3272.7mm2），内侧配筋φ25@125（3927mm2），抗裂系数：Kf＝1.16；距边墙底部 1/4 高处：外侧计算配筋量1459.5mm2，内侧计算配筋量1713.3mm2。底板：内侧配筋φ25@125（3927mm2），外侧配筋φ28@200（3079mm2），抗裂系数：Kf＝1.75。

由于边墙为悬臂结构，墙净高8.1m，内力在高度方向上变化很大，底部弯矩最大，在距边墙底部1/4高处弯矩已衰减到一半以上，因此建议边墙配筋在垂直方向应该随着高度的增加进行适当的减少。

根据地基承载力计算结果显示：底板端部地基应力远大于平均基底应力，由地基应力图知，落地槽基础端头基础应力较大，跨中地基应力趋于均布，两端根部距离基础中心约1/3区域，地基应力骤降厉害，对某些较软弱基础，部分槽基存在平均地基应力大于地基承载力标准值问题。由于基础塑性变形的深度需要控制，否则会引起基础的较大变形，对结构产生不利影响，为安全计，建议对地基岩性较软弱的基础端部进行加固处理（如：粉质粘土、砾质重粉质壤土、重粉质壤土等地基条件）。