对水闸地基沉降计算的思考

朱 磊

（宿州市水利水电建筑勘测设计院 宿州 234000）

水闸基础地基设计须满足三项基本原则：一是保证持力层地基土体稳定性（渗流稳定性及整体稳定性），二是控制地基沉降变形量在容许值以内，三是满足基础结构强度、刚度及耐久性要求。可见水闸地基沉降计算不是孤立的，与其上部结构刚度相辅相承，通常按以下顺序进行基础地基设计：先拟定闸室结构型式及尺寸，再进行地基稳定性计算，地基稳定满足要求后进行地基沉降计算，沉降计算中如发现地基有过大的沉降量及沉降差后，较少考虑优化改进上部闸室结构型式，直接进行地基处理设计以改善地基性能，直到地基满足设计规范要求为止。

随着计算机及相关结构计算软件发展，目前设计步骤中，如果地基土压缩性为中等以上，可以考虑在地基、基础、上部结构三者之间的变形协调条件和静立平衡条件，利用计算机进行闸室整体的相互作用定性分析，从而提出优化改进的闸室整体结构设计方案，充分利用结构自身刚度优势，进而可控制地基沉降量在规范容许值以内。

1 问题的提出

水闸地基沉降设计：控制水闸地基沉降量，使之不超过水闸地基变形容许值，以免引起基础不利截面、上部结构的损坏和闸门的启闭，或影响结构的使用功能和外观。《水闸设计规范》（SL265-2016）（以下简称《闸规》）中 8.3.7条：土质地基允许最大沉降量和最大沉降差应以保证水闸安全和正常使用为原则，并根据具体情况确定。天然土质地基上水闸地基最大沉降量不宜超过15cm，相邻部位的最大沉降差不宜超过5cm。《闸规》中8.3.8条：对于软土地基上的水闸，当计算地基最大沉降量或相邻部位的最大沉降差超过规定的允许值时，宜采用下列一种或几种措施：变更结构型式或加强结构刚度，采用沉降缝隔开，改变基础型式或刚度，调整基础尺寸与埋置深度，必要时对地基进行人工加固，安排合适的施工程序，严格控制施工速率。《闸规》8.1.8条：沉降解决方案要求首先考虑加强闸室整体性及刚度的方法，可以取得较好的技术经济效益；其次考虑设置沉降缝；同时指出，随着社会对环保要求的日益提高，尽量避免采用单一孤立的地基处理方案，因为地基处理会造成一些难以解决的环境影响问题。

2 工程实例

现以某水闸一联三孔敞开式水闸闸室结构地基沉降计算为例，定性说明采用加强闸室整体性及刚度的方法对减小地基沉降作用的影响。设计参数：场地地震基本烈度为6度，闸基持力层为第层重粉质砂壤土，中等压缩性，饱和重度19.4kN/m3，渗透系数6×10-4cm/s，内摩擦角计算取值30°，弹性模量5.5MPa，泊松比0.3；闸室钢筋混凝土标号C25，底板相对高程0.00。原水闸设计方案闸室横剖面结构见图1。

图1 3号单元闸室横剖面结构图

对一般较高的闸室结构来说，由于边墩受边荷载影响较大，为改善闸室结构受力状况，减少地基不均匀沉降，一般在边墩与侧向回填土之间设置空箱形挡墙过渡性结构，同时兼做闸室边墩及桥头堡基础，由于空箱与闸室分别承担的荷载重量不同，习惯性在兼做边墩的空箱结构与闸室边跨底板之间设置沉降缝，缝宽2～3cm。一般情况下，水闸蓄水后，由于地基空隙中充满了水质，沉降量相比完建期要小，所以水闸地基沉降计算中控制工况一般为完建期。取完建期工况，利用Autobank7.51程序对原方案上游3号简化单元进行变形及计算分析：大底板地基最终沉降量14cm，两侧空箱沉降缝处地基最终沉降量15.2m，不满足规范要求；空箱最大弯矩处为边墩墙根部566kN·m，大底板最大负弯矩值159kN·m，而简支小底板最大负弯矩值则达到300kN·m，内力分布也不均匀，计算结果不甚合理。

考虑改善地基、基础、上部结构三者之间的变形协调条件，将原闸室结构设计方案优化改进。在不改变原有结构构件尺寸的原则下，改进的方案在《闸规》容许的温度长度范围内将空箱与闸室、检修桥与闸室固结合并，取消2条沉降缝和空箱内部填土，增设配重进水洞口；以上措施不仅增强了水闸整体刚度，且部分减轻了水闸自重。优化后现水闸设计方案闸室横剖面结构见图2。

图2 优化方案闸室3号单元横剖面图

同样取完建期工况，利用Autobank7.51程序对优化后上游3号简化单元进行变形及计算分析：底板中部地基最终沉降量14.3cm，两侧空箱沉降缝处最大地基最终沉降量14.5m，满足规范要求；空箱最边墩墙根部弯矩137kN·m，大底板最大负弯矩值247kN·m，最大正弯矩值214kN·m，内力分布均匀，计算结果合理。

两种方案计算结果图形对比见图3。

图3 两种方案计算结果对比图

3 结语

（1）设空箱边墙+筏板基础并满足一般使用功能的水闸，在中等及以上压缩性土质地基上，在长度满足温度效应的影响下，两者结构可以合并，形成一个具有整体刚度箱型基础，对于地基不均匀沉降、结构内力的均匀分布具有很好的控制作用。

（2）施加在整体结构荷载尽量均匀，一般多为结构的自重效应影响较大。例如两侧桥头堡采用轻质填充墙体，并尽量减少不必要的装饰与层数。

（3）整体结构的形成减少了沉降缝的数量，简化了施工工序，避免了沉降缝处门槽的变形，方便了结构正常使用■