混凝土灌注桩水闸设计问题探讨

王明龙 范泽华 尤 波

(中国农业节水和农村供水技术协会规划设计研究中心，北京 100072)

近年来全国水闸安全鉴定和除险加固工作的大量实践表明，因地震液化问题导致水闸损坏的案例较多。随着对水闸抗震问题的不断关注，设计人员认识到钻孔灌注桩基础不失为处理水闸地基液化问题的一种有效措施。钻孔灌注桩基础水闸作为一种独特的闸型，在软弱地基或地基液化问题严重的地区具有一定优势。该结构不仅可显著提高地基承载力、减少沉降量，而且可从根本上解决地震液化时水闸失稳问题，同时减轻上部结构重量，工程量小，投资省。特别是在高地震烈度区地震液化问题严重的水闸除险加固工程中，该闸型可以广泛应用，具有较强的生命力。

本文以山东省打渔张引黄灌区渠首枢纽中的十三条渠进水闸设计为例进行介绍。打渔张引黄灌区设计灌溉面积66.46万亩，灌区渠首枢纽工程中共改建四座进水闸，其中十三条渠进水闸设计流量为40m3/s，加大流量为48m3/s，属3级建筑物。该闸共5孔，开敞式水闸，过闸总净宽25m，单孔净宽5m，闸墩高度5m，底板厚度1.2m，边墩厚度1.0m，中墩厚度1.2m，缝墩厚度0.8m，分为三联，顺水流长度11m。具体结构见图1～图2。根据地质勘察资料，水闸基础坐落于第二层轻粉质砂壤土层，该层厚度5～7m，地基承载力75kPa；下部第三层为轻粉质壤土层，层厚3～5.5m，地基承载力75kPa；第四层为轻粉质壤土夹粉质砂壤土，层厚3.5～5.1m，地基承载力120kPa。

图1 闸室纵剖面 (尺寸单位：mm，高程单位：m)

图2 闸室横剖面 (尺寸单位：mm，高程单位：m)

1 地基处理方式选择

因该水闸基础坐落于第二层轻粉质砂壤土层，基础以下软弱土层深达10m左右，地基允许承载力仅为75kPa，难以满足基底承载力要求，需要进行地基处理。

地基处理应优先考虑采用改变结构型式、增加结构刚度、加大基础深度等强化天然基础措施。但上述措施往往效果不明显，难以从根本上解决软基问题。需要对换填法、碎石桩、水泥搅拌桩、混凝土灌注桩等多种地基处理方式进行经济技术比较。由于该水闸地基中软弱土层较厚，采用换填法工程量大，且施工困难，最先予以排除。对于其他几种地基处理方式进行比选，其优缺点见表1。

表1 地基处理方式比选

根据以上比选，混凝土灌注桩的适应性较广，适合在各种地层中施工，基础受力情况明确，可有效提高地基承载力并解决地震液化问题。另外，结合当地的水闸地基处理经验做法和施工水平等多种因素，最终选定混凝土灌注桩基础。

通常水闸桩基础宜采用摩擦型桩。如采用端承型桩，但其存在着对渗流安全的不利影响，底板底面以上的作用荷载几乎全部由端承型桩承担，直接传递到下卧岩层或坚硬土层上，底板与地基土的接触面上则有可能出现脱空现象，加之地下渗流的作用易造成接触冲刷，从而危及闸身安全。本渠首进水闸工程中采用摩擦型灌注桩基础，桩端位于第四层土层，桩径0.8m，桩长15m。

2 水闸混凝土灌注桩基础的布置

水闸混凝土灌注桩基础的数量和长度应满足垂直和水平承载力的要求，且均小于允许地基承臷力。桩的数目一般取决于水平推力，摩擦桩的入土深度一般取决于垂直荷载和土体抗剪能力。该渠首进水闸为整体式水闸，基础应力不均匀程度较小，可釆用梅花状或正方形均匀布置，桩径一般为d=0.8～1.2m，桩中心距应不小于2.5d。设计进水闸桩径取0.8m，桩中心距不小于2m，桩长为15m，闸底板下共设60根桩，具体布置见图3。对于基础应力不均匀程度较大的水闸，混凝土灌注桩可采用等荷载要求布置。对于分离式水闸，混凝土灌注桩可布置在闸墩的扩大基础下。

闸底板下部群桩的布置，要尽量使群桩形心与底板以上基本荷载组合的合力作用点相接近，桩的实际承担荷载宜尽量相等。为便于底板应力分析，群桩推荐呈梅花状布置。水闸闸室灌注桩基础尽量布置在闸墩部位。群桩的边桩至底板边缘的净距一般不小于0.5d，且不小于25cm。对于摩擦型桩基础，桩间土能承担一部分底板底面以上的荷载，但考虑到现有的试验资料还不够完全充分，为安全计，一般不考虑桩间土的作用。

3 灌注桩基础的闸室稳定计算

土基上水闸闸室稳定计算单元，应根据水闸结构布置特点确定，以未设永久缝的单孔、双孔和多孔为一个计算单元，宜将边联闸段和中联闸段分别作为独立计算单元。闸室沿基底面的抗滑稳定，包括顺水流方向抗滑稳定和垂直水流方向抗滑稳定。对于承受侧向土压力的边联闸段，应分别复核其垂直水流方向和平行水流方向的抗滑稳定性。各工况下闸室沿基底面的抗滑稳定安全系数均应满足规范要求。

图3 闸底板桩基布置 (单位:mm)

采用钻孔灌注桩基础的水闸，若验算沿闸室底板底面的抗滑稳定性，应计入桩体材料的抗剪断能力。按照相关规范要求，对于桩基上闸底板，不再控制底板基底应力σz的最大和最小的比值，而是改为控制单桩最大和最小竖向荷载的比值。

鉴于边联闸段可能同时承受纵横两向弯矩作用，为满足单桩最大和最小竖向荷载的比值要求，边墩可与挡土墙分开布置，或两孔一联，也可采用等荷载式布置桩基。单桩实际竖向荷载为实际所承力闸室基底面积上平均应力σz的总和。

当桩基承受双向水平荷载时，应按双向偏心受压公式计算单桩所承受的竖向荷载。

(1)

式中Pi——第i根桩桩顶承受的竖向荷载，kN；

∑G——底板面以上的全部竖向荷载，kN；

N——桩的根数；

∑Mx、∑My——底板底面以上全部荷载对桩群重心轴x、y的力矩，kN·m；

xi、yi——第i根桩至桩群重心轴x、y的距离，m。

单桩的实际竖直荷载必须小于允许承载能力。等直径的单桩水平荷载为闸室实际水平荷载的1/n，(n为单桩数)，实际水平荷载必须小于允许水平承载能力。

基础土体的允许垂直向承载能力，通常按桩侧允许摩阻力或桩端允许阻力计算决定，单桩允许水平承载能力，按控制桩顶不可恢复水平变位0.5cm条件计算，对于0.8m直径的混凝土灌注桩，单桩允许水平向承载力可初定为150～200kPa。

当桩的中心距小于6倍桩径或边长桩数多于或等于9根时，深厚的松软土基上的水闸桩基础应作为群桩基础。其桩尖平面处的地基压应力和沉降量不应大于该平面处地基土的允许承载力和允许沉降量。

群桩基础的强度验算：

(2)

式中pmax——桩尖平面处最大压应力，kPa；

L——桩的入土深度；

L0，B0——桩台底面处桩基平面轮廓的长度和宽度，m；

A——假想的实体深基础在桩尖处的计算面积；

e——偏心距，m；

[R]——桩尖处地基允许承载力，kPa。

以该渠首进水闸左边联为例，计算结果见表2。

表2 渠首进水闸左边联钻孔桩基础计算成果汇总

4 灌注桩基础的闸底板结构应力分析

灌注桩基础闸室底板应力分析包括顺水流方向应力分析和垂直水流方向应力分析。鉴于软基上的弹性变形往往促成底板顺水流向开裂，因此闸室底板应力分析主要是进行垂直水流方向的应力分析。目前用于计算桩基础闸底板的方法较多，包括弹性地基梁法、反力直线法、倒置梁法、空间有限单元法等。

采用空间有限单元法在理论上无疑最为接近工程实际情况，但规模较小的水闸工程往往多采用弹性地基梁法和反力直线法进行底板结构计算，为安全计，再根据桩基础的梅花形布置，取单位宽底板按连续梁进行验算，并按两者的受力情况绘制弯矩、轴力、剪力包络图，按包络图中外包线值进行配筋计算。通常对底板梁结构计算有以下两种方法：一是将闸墩视为倒置的支座，桩顶部所受荷载视为作用在底板连续梁上的集中力，不计底板梁的重量；二是将桩基础视为支座，底板梁上只考虑底板自重、闸墩自重、上部交通桥排架等荷载。以该渠首进水闸左边联为例，计算结果如下：

图4 水闸底板弹性地基梁计算弯矩

对闸底板进行弹性地基梁计算，边荷载分别取50%和100%，计算得到弯矩图(见图4)。

对闸底板梁按连续梁进行结构计算，方法一计算简图及弯矩见图5。

图5 方法一计算简图及弯矩图

方法二计算简图及弯矩图见图6。

图6 方法二计算简图及弯矩图

相比较而言，方法一的受力简化更偏于安全，计算得到的结果比弹性地基梁结果大出较多；方法二底板连续梁的受力情况简化较接近实际情况，得到的结果更为接近弹性地基梁的计算结果。在该渠首进水闸工程中采用了弹性地基梁和方法二底板连续梁计算的结果，据此绘制包络图，进行结构配筋计算。

5 混凝土灌注桩水闸设计应注意的问题

a.当灌注桩所在地层为软黏土、淤泥土或湿陷土，地下水位大幅下降，闸基附近存在较大堆积荷载且水闸过水后发生较大沉降变形时，单桩设计应考虑负摩擦力作用。

b.均匀等距布置的灌注桩，由于各桩荷载不等，单桩为偏心受压构件；等荷载布置的灌注桩，各桩受力基本相同，可按轴心受压构件计算。受地震荷载或其他水平荷载作用的单桩，均为偏心受压构件。常采用“m”法进行桩基计算。

c.当灌注桩上断面压应力小于混凝土抗压强度时，可采用C20～C25素混凝土桩或按构造配筋。但当受水平荷载和弯矩较大时，配筋长度应通过计算决定，桩基中存在淤泥或液化土层时，配筋长度应穿过上述土层；8度和8度以上地震地区，桩体应通长配筋；桩径大于600mm的钻孔灌注桩，构造钢筋长度不宜小于桩长的2/3。

d.混凝土灌注桩水闸闸基底易形成接触渗流破坏，可采取加长上下游底板齿墙、加强过滤层等方法避免。

e.对灌注桩上部闸底板结构应进行局部抗冲切强度复核，防止发生底板局部冲切破坏。

6 结 语

混凝土灌注桩水闸在我国应用较早，该种闸型受力条件明确，适应性广，在有效提高地基承载力、减小沉降量方面作用显著，而且可减轻上部结构重量，工程量较小，投资较省。作为一种独特的闸型，非常适用于我国东部沿海软土地基和西部新疆等地震液化问题较严重的地区。