季樹(shù)凱，張?jiān)浪?/p>

（天津水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，天津300204）

水閘垂直防滲墻體受力特性分析

季樹(shù)凱，張?jiān)浪?/p>

（天津水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，天津300204）

對(duì)水閘防滲體系布置進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，分析水閘在無(wú)樁基礎(chǔ)、端承型樁基礎(chǔ)和摩擦型樁基礎(chǔ)條件下垂直防滲墻體的受力特性，提出改善墻體結(jié)構(gòu)受力的設(shè)計(jì)優(yōu)化措施。

水閘；防滲體系；基礎(chǔ)

1 引言

水閘是一種利用閘門擋水和泄水的低水頭水工建筑物。水閘建成后，在上下游水頭差的作用下，將在水閘基礎(chǔ)下產(chǎn)生滲流，對(duì)水閘產(chǎn)生不利影響；嚴(yán)重時(shí)，降低閘室的抗滑穩(wěn)定性，引起地基的滲透變形，造成安全隱患，甚至引起安全事故。因此，做好水閘地基防滲設(shè)計(jì)，對(duì)于保證水閘安全至關(guān)重要。

2 水閘防滲體系布置

水閘防滲體系布置中，上游鋪蓋、垂直防滲體及底板都是相對(duì)不透水的，下游消力池設(shè)排水孔，不阻水。在水頭H作用下，閘基內(nèi)的滲流將從排水孔逸出。不透水的鋪蓋、垂直防滲墻體及底板與地基的接觸線，即閘基滲流的第一根流線，稱為地下輪廓線，其長(zhǎng)度為水閘的防滲長(zhǎng)度。水閘的防滲布置，如圖1所示。

圖1 水閘防滲布置

水閘防滲設(shè)計(jì)首先要確定防滲長(zhǎng)度，包括水平防滲和垂直防滲。水平防滲一般由上游鋪蓋和閘室底板組成，在水平防滲不能滿足滲流穩(wěn)定要求時(shí)，需要布置垂直防滲措施。垂直防滲滲徑是水平防滲的兩倍，防滲效果好，綜合造價(jià)合理，閘室上游常采用鋪蓋和垂直防滲墻體相結(jié)合的布置形式。

水閘的防滲排水布置應(yīng)根據(jù)閘基地質(zhì)條件和上下游水位差等因素綜合分析確定?！端l設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）規(guī)定，為保證水閘安全，初步擬定其所需的防滲長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

式中：L為水閘的防滲長(zhǎng)度即閘基輪廓線水平段和垂直段長(zhǎng)度總和（m）；H為上下游水頭差（m）；C為允許滲徑系數(shù)，依地基土性質(zhì)而定。

由于地基土體在上部荷載和自重下的固結(jié)變形緩慢，特別是飽和軟土地基，垂直防滲墻體在地基土體因固結(jié)產(chǎn)生沉降時(shí)，受力特性是一個(gè)變化的過(guò)程，在不同的基礎(chǔ)形式下，其垂直防滲墻體與土體之間相互作用的機(jī)理是不同的。下面將區(qū)分無(wú)樁基礎(chǔ)和有樁基礎(chǔ)兩種不同工況，分析水閘在不同地基條件和基礎(chǔ)形式下垂直防滲墻體的受力情況。

3 無(wú)樁基礎(chǔ)垂直防滲墻體受力分析

水閘在上部荷載的作用下，土基壓縮變形大，將引起較大的沉降。當(dāng)?shù)鼗鶟M足承載力要求時(shí)，在天然地基上修建水閘工程，地基將發(fā)生較大的變形。垂直防滲墻體一般采用混凝土或水泥土材質(zhì)，其變形模量遠(yuǎn)大于地基土體，垂直防滲墻體在荷載作用下的變形可忽略不計(jì)。墻體相對(duì)地基產(chǎn)生向下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，土體對(duì)墻體產(chǎn)生向上的摩擦阻力。一般情況下，在摩擦阻力和墻體自重雙重作用下，墻體可簡(jiǎn)化為一受壓結(jié)構(gòu)，假設(shè)地基土體性質(zhì)均勻，則每延米墻體受力計(jì)算如圖2所示。

圖2 無(wú)樁基礎(chǔ)墻體受力計(jì)算

由圖2計(jì)算在距墻底x處墻身所受壓力公式為：

在墻頂與閘室底板交界處，墻身受力達(dá)到最大值，其計(jì)算公式為：

式中：Nx為每延米寬距墻底x截面處墻體所受壓力（N）;Nmax為每延米寬墻頂截面處墻體所受壓力（N）; qs為墻側(cè)土體平均摩阻力（N）;ρ為墻體材料密度（kg/m3）;g為重力加速度（m/s2）;d為墻體平均寬度（m）;x為計(jì)算截面距墻底的長(zhǎng)度（m）;L為墻體高度（m）。

4 有樁基礎(chǔ)底板脫空防滲墻體受力分析

在軟弱地基上建閘，地基往往不能滿足水閘基礎(chǔ)承載力要求，工程中常采用樁基礎(chǔ)來(lái)提高地基承載力，最常用的樁基礎(chǔ)是鋼筋混凝土預(yù)制樁和鉆孔灌注樁。根據(jù)樁的受力特征可把樁分為端承型樁和摩擦型樁兩大類。端承型樁樁端深入到可靠層，承載力高，很容易滿足地基承載力要求，而且上部荷載全部作用在樁上，閘室沉降小，然而很容易產(chǎn)生水閘底板脫空現(xiàn)象，影響水閘安全運(yùn)行。摩擦型樁樁端在軟土層中，主要靠樁與地基土間的摩擦力來(lái)承擔(dān)荷載，能很好地適應(yīng)地基沉降，減少水閘底板脫空現(xiàn)象。然而在工程中，設(shè)計(jì)人員往往只考慮摩擦樁的承載力，樁設(shè)計(jì)過(guò)長(zhǎng)、過(guò)密使摩擦樁承擔(dān)全部荷載，且經(jīng)長(zhǎng)期作用地基上部軟土固結(jié)沉降值大于底板沉降時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生水閘底板脫空問(wèn)題。天津?yàn)I海軟土地區(qū)防潮閘中，設(shè)計(jì)雖采用摩擦型樁基礎(chǔ)，但底板大部分存在脫空現(xiàn)象。

防滲墻體設(shè)計(jì)長(zhǎng)度相對(duì)于樁基礎(chǔ)要短，天津?yàn)I海地區(qū)防潮閘基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一般小于樁基礎(chǔ)長(zhǎng)度1/2。閘底板脫空造成底板失去防滲功能，使?jié)B徑減小，同時(shí)表明底板下一定范圍內(nèi)地基土體沉降大于底板及防滲墻體的沉降，地基相對(duì)墻體產(chǎn)生向下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，土地對(duì)墻體產(chǎn)生向下的摩擦阻力，即所謂負(fù)摩阻力。為分析方便，假定在墻體深度范圍內(nèi)，土體對(duì)墻體全部為負(fù)摩擦，對(duì)于端承型樁是成立的，對(duì)于摩擦型樁計(jì)算結(jié)果偏于保守。

一般情況下，在負(fù)摩阻力和墻體自重雙重作用下，墻體可簡(jiǎn)化為一受拉結(jié)構(gòu)，假設(shè)地基土體性質(zhì)均勻，則每延米墻體受力計(jì)算如圖3所示。

圖3 有樁基礎(chǔ)墻體受力計(jì)算

由圖3計(jì)算在距墻底x處墻身所受拉力公式為：

在墻頂與閘室底板交界處，墻身受力達(dá)到最大值，其計(jì)算公式為：

式中：Tx為每延米寬距墻底x截面處墻體所受拉力（N）;Tmax為每延米寬墻頂截面處墻體所受拉力（N）; qsn為墻側(cè)土體平均負(fù)摩阻力（N）；其他符號(hào)意義同上。

5 墻體受力設(shè)計(jì)優(yōu)化建議

無(wú)樁情況下，墻體相對(duì)地基產(chǎn)生向下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，土地對(duì)墻體產(chǎn)生向上的摩擦力，墻體處于受壓狀態(tài)，墻體材料受壓能力一般能夠滿足受力要求。

端承型樁由于閘室沉降小，容易產(chǎn)生水閘底板脫空現(xiàn)象；摩擦型樁由于設(shè)計(jì)保守，同樣會(huì)產(chǎn)生水閘底板脫空問(wèn)題。閘底板脫空表明地基相對(duì)墻體產(chǎn)生向下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，土地對(duì)墻體產(chǎn)生負(fù)摩阻力，墻體處于受拉狀態(tài)，墻體材料受拉能力一般遠(yuǎn)小于受壓能力。特別是對(duì)于高壓旋噴樁成墻工藝來(lái)說(shuō)，材料抗拉能力較差，容易造成墻體斷裂，致使其防滲功能失效，引起安全事故。

為避免墻體受拉或使拉應(yīng)力盡可能減小，則需要避免產(chǎn)生負(fù)摩擦，即產(chǎn)生底板脫空現(xiàn)象。這樣一來(lái)，既能保證底板發(fā)揮正常的防滲效果，同時(shí)可以改善墻體受力性能。因此，合理進(jìn)行樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，使樁土共同承擔(dān)上部荷載，同時(shí)采用變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)和荷載分布情況，合理調(diào)整樁距、樁長(zhǎng)和樁徑，使建筑物沉降趨于一致的同時(shí)避免出現(xiàn)底板脫空現(xiàn)象，使上部結(jié)構(gòu)、底板和垂直防滲墻體受力性能都得到改善，避免出現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

水閘地基處理和基礎(chǔ)形式對(duì)水閘垂直防滲墻體受力產(chǎn)生重要影響。無(wú)樁基礎(chǔ)下，垂直防滲墻體處于受壓狀態(tài)；端承型樁，由于底板出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，垂直防滲墻體處于受拉狀態(tài)；摩擦型樁由于設(shè)計(jì)保守，使樁承擔(dān)全部荷載，同樣容易引起底板脫空問(wèn)題，垂直防滲墻體處于受拉狀態(tài)。由于墻體材料一般受拉性能較差，當(dāng)拉應(yīng)力大于材料的抗拉能力時(shí)會(huì)使墻體開(kāi)裂、防滲性能失效甚至嚴(yán)重影響水閘的運(yùn)行安全。因此，在水閘樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，要聯(lián)系工程實(shí)際，總結(jié)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，合理選擇摩擦樁的長(zhǎng)度和間距，考慮地基土承擔(dān)合適的荷載，這樣才能有效地解決樁和地基土沉降不一致的問(wèn)題，避免底板脫空，保證水閘的安全運(yùn)行。

TV66；TV135.3

A

1004-7328（2015）01-0061-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.01.022

2014-11-20

季樹(shù)凱（1975-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。