船闸闸室结构不均匀沉降研究进展

1.前言

随着国家经济的飞速发展，各种基础设施的建设也越来越完善，作为水路运输的基础设施，内河航道经过不断的治理，航道条件已经得到了明显的改善。船闸作为内河航道的咽喉，一旦船闸出现问题，不仅会对船舶的安全造成影响，还有可能会使该段航路瘫痪、中断，造成巨大的经济损失和人员损失，因此，船闸在内河运输中有着十分重要的作用。

船闸在建设施工以及长久的运行中，地基发生沉降在所难免，其可能会改变结构原本的受力状态，打破结构的受力平衡，使结构局部应力增大，从而出现破坏。船闸在发生不均匀沉降时，轻则会对船闸日常使用造成一定的影响，重则会出现结构破坏、滑动、倾斜甚至倒塌等重大事故，因此对船闸闸室结构不均匀沉降的研究是十分必要的，这对类似事件发生后的安全评估以及防护加固等有着很重要的参考作用。

2.不均匀沉降对船闸闸室结构影响

2.1 不均匀沉降产生的原因

地基产生不均沉降是一个复杂的过程，产生原因也不尽相同，荷载加载方式、所处地理环境、结构设计型式等都会对地基的沉降产生不同的影响，从而导致结构的产生不同的沉降。对于结构产生不均匀沉降的具体原因，目前还没有一个统一的标准。

通过对其他研究者提出观点的总结分析，对于船闸建筑，产生不均匀沉降的原因大致可以分为五个方面：一是结构自身型式设计的原因，不同的结构会使得地基承受的荷载不相同，由受力不均引起不均匀沉降；二是地面原因，地面高低起伏、软硬不均等，会导致地面承载力不均，随着时间的推移可能会发生不均匀沉降；三是施工原因，地基处理不当、填料控制不当、压实不足等均会导致地基承载力局部不足或过高从而发生不均匀沉降；四是错误运行的原因，超载、配载不均、受力不均等均可能会导致地基受力超过设计极限，从而导致不均匀沉降的发生；五是其他外界条件的干扰的原因，比如水流渗入填料、地基、基础等导致其性能发生变化，水流冲刷导致建筑基底、挡墙等出现空壳，地震导致结构受力发生重大改变等，这些外界的原因也会使得地基发生不均匀沉降。

2.2 沉降的分类

沉降是指在建筑物荷载作用下，地基土因受到压缩引起的竖向变形或下沉。均匀沉降一般对建筑物的危害较小，但过大时也会使建筑物的高程降低而影响使用；不均匀沉降对建筑物危害较大，会使建筑物产生附加应力而引起裂缝，甚至局部构件断裂，危及建筑物的安全。地基基础设计时应对沉降讲行估算，不均匀沉降根部不同的建筑型式以及不同的外部条件会出现不同的沉降模式，其具体的沉降模式很难把握，在实际的设计研究中，一般会根据实际情况假设出一些沉降模式，然后对这些沉降模式进行分析，一般的沉降模式有鞍型沉降、直线形沉降、碟形沉降、盆形沉降等，出现这些沉降模式时，如果变形过大均会对建筑物产生危害。

2.3 不均匀沉降的危害

地基不均匀沉降是导致建筑工程事故的主要原因之一，地基结构发生不均匀沉降，会破坏结构原本的受力平衡，使上部结构产生附加应力，出现结构局部应力增加，从而威胁结构安全。不均匀沉降轻则会导致结构产生裂缝或者发生倾斜，影响结构部分功能和外观；重则会使结构出现破坏、建筑下沉，严重影响结构的功能，导致结构出现安全隐患，甚至会使建筑彻底破坏、倾塌，对生命和财产安全构成严重的威胁。对于船闸或其他水工建筑物来说，由于所属条件的特殊，不均匀沉降对其产生的危害更加巨大，不均匀沉降产生的裂缝不仅会导致建筑结构漏水，渗透进入结构中的水还会加快结构内部的反应，从而使结构寿命减少、安全性降低；另外，水渗透至地基或回填土中，会导致其承受力降低，还有可能发生冲刷，更剧烈的加重不均匀沉降，形成恶性循环，毁坏建筑。

3.船闸闸室结构不均匀沉降的研究

目前国内船闸不均匀沉降的研究较少，本文主要就船闸不均匀沉降进行分析，对文献进行总结发现，对船闸不均匀沉降研究主要集中在三个方面。一是对船闸结构沉降的观测，主要包括观测方法以及沉降观测的应用；二是对船闸结构沉降的计算以及计算方法的研究分析；三是船闸结构不均匀沉降的整治措施以及预防措施。根据查阅的文献统计分析发现，专家和学者们对船闸结构沉降后结构的受力特性鲜有分析，因此在这方面是值得深入研究的，这对船闸或者其他水工结构在发生不均匀沉降后的加固有很重要的作用。

3.1 对于船闸闸室结构沉降观测的研究

通过阅读相关文献发现，对于沉降观测，多使用水准测量方法进行观测。刘长明等[2]通过宝应船闸的沉降观测，探讨了沉降观测后期数据处理的措施，提出可以通过采用EXCEL等工具简化计算过程，减轻后期数据处理及分析报告的工作量。何建兴等介绍了船闸主体建筑物沉降观测的具体做法，总结了技术的要点，并探讨沉降观测在船闸建设过程中的作用，对今后同类工程有较好的借鉴意义。夏猛，方海东等通过定期观测和分析云善船闸，得到了船闸各部位的沉降情况，根据沉降观测资料分析了沉降规律，并探讨了船闸变形的原因。

3.2 船闸沉降的计算方法研究

对于船闸沉降的计算方法，主要通过有限元方法进行预测或者根据实际情况通过规范进行计算，许瑞东利用有限元软件分析了扶壁式闸墙从原土基开挖到蓄水调试各个阶段地基沉降及闸墙倾斜趋势，并分析了闸室灌泄水过程中墙底水压及土应力之和的变化趋势及闸墙墙顶水平向位移变化，并分析得出了该闸室倾斜主要影响因素为前后趾不均匀沉降。朱磊考虑地基、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Autobank 软件进行整体的相互作用定性分析，分析认为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。王建敏、李艳青[7]采用有限元非线性分析方法预测水闸的沉降量，结合相关规范计算水闸地基沉降量和沉降差，确保水闸的正常运行。伊明坤[8]对处理后的沙颍河阜阳船闸工程进行地基沉降计算，得出其满足规范要求的结论。

3.3 对不均匀沉降地基的处理研究

对不均匀沉降地基的处理，程晓航通过对珠三角软土地基船闸实例的研究，在闸室沉降量方面，对进一步优化深厚淤泥土的基础处理措施提出一些建议和对策，对进一步完善工程设计有积极意义。李光辉根据工程实例，分析了由砂性土地基在潜水、承压水头共同作用，使构造物基础底部土体掏空、产生不均匀沉降，采用注浆进行处理修复等技术措施，证明其有较好的社会经济效益。

4.船闸闸室结构不均匀沉降研究展望

结构在发生不均匀沉降后，闸墙结构的受力受力状态是十分复杂的，除了已经出现破坏的地方，还可能存在一些应力、剪切力、弯矩过大的位置，只是还未出现破坏，这些位置只有在清楚结构内部受力状态的情况下才能发现，以往国内外很多专家学者主要针对沉降的观测、地基沉降的计算、沉降的预防和整治措施三个方面对闸墙的沉降进行研究，对发生不均匀沉降后结构的受力状态鲜有研究。结合目前国内外对船闸不均匀沉降的研究，认为下一阶段还需对以下问题进行重点研究：

1）研究结构在已经发生不均匀沉降或倾斜时结构内部的受力特性，分析出结构薄弱部位，这对类似事件发生后的安全评估以及防护加固等有着很重要的参考作用。

2）由于结构受力分析具有强烈的非线性特征，不均匀沉降条件具有不确定性，并且传统的解析法和试验方法往往具有很大的局限性。因此需要借助于有限元分析方法，通过建立闸室结构的三维模型来对这一问题进行研究。