季樹凱，張岳松

（天津水務投資集團有限公司，天津300204）

水閘垂直防滲墻體受力特性分析

季樹凱，張岳松

（天津水務投資集團有限公司，天津300204）

對水閘防滲體系布置進行簡要介紹，分析水閘在無樁基礎、端承型樁基礎和摩擦型樁基礎條件下垂直防滲墻體的受力特性，提出改善墻體結構受力的設計優(yōu)化措施。

水閘；防滲體系；基礎

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，將在水閘基礎下產生滲流，對水閘產生不利影響；嚴重時，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計，對于保證水閘安全至關重要。

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不透水的，下游消力池設排水孔，不阻水。在水頭H作用下，閘基內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，其長度為水閘的防滲長度。水閘的防滲布置，如圖1所示。

圖1 水閘防滲布置

水閘防滲設計首先要確定防滲長度，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，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，綜合造價合理，閘室上游常采用鋪蓋和垂直防滲墻體相結合的布置形式。

水閘的防滲排水布置應根據閘基地質條件和上下游水位差等因素綜合分析確定。《水閘設計規(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度計算公式為：

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

由于地基土體在上部荷載和自重下的固結變形緩慢，特別是飽和軟土地基，垂直防滲墻體在地基土體因固結產生沉降時，受力特性是一個變化的過程，在不同的基礎形式下，其垂直防滲墻體與土體之間相互作用的機理是不同的。下面將區(qū)分無樁基礎和有樁基礎兩種不同工況，分析水閘在不同地基條件和基礎形式下垂直防滲墻體的受力情況。

3 無樁基礎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。當地基滿足承載力要求時，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，其變形模量遠大于地基土體，垂直防滲墻體在荷載作用下的變形可忽略不計。墻體相對地基產生向下的相對運動，土體對墻體產生向上的摩擦阻力。一般情況下，在摩擦阻力和墻體自重雙重作用下，墻體可簡化為一受壓結構，假設地基土體性質均勻，則每延米墻體受力計算如圖2所示。

圖2 無樁基礎墻體受力計算

由圖2計算在距墻底x處墻身所受壓力公式為：

在墻頂與閘室底板交界處，墻身受力達到最大值，其計算公式為：

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為計算截面距墻底的長度（m）;L為墻體高度（m）。

4 有樁基礎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承載力要求，工程中常采用樁基礎來提高地基承載力，最常用的樁基礎是鋼筋混凝土預制樁和鉆孔灌注樁。根據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，然而很容易產生水閘底板脫空現象，影響水閘安全運行。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承擔荷載，能很好地適應地基沉降，減少水閘底板脫空現象。然而在工程中，設計人員往往只考慮摩擦樁的承載力，樁設計過長、過密使摩擦樁承擔全部荷載，且經長期作用地基上部軟土固結沉降值大于底板沉降時，同樣會產生水閘底板脫空問題。天津濱海軟土地區(qū)防潮閘中，設計雖采用摩擦型樁基礎，但底板大部分存在脫空現象。

防滲墻體設計長度相對于樁基礎要短，天津濱海地區(qū)防潮閘基礎設計一般小于樁基礎長度1/2。閘底板脫空造成底板失去防滲功能，使?jié)B徑減小，同時表明底板下一定范圍內地基土體沉降大于底板及防滲墻體的沉降，地基相對墻體產生向下的相對運動，土地對墻體產生向下的摩擦阻力，即所謂負摩阻力。為分析方便，假定在墻體深度范圍內，土體對墻體全部為負摩擦，對于端承型樁是成立的，對于摩擦型樁計算結果偏于保守。

一般情況下，在負摩阻力和墻體自重雙重作用下，墻體可簡化為一受拉結構，假設地基土體性質均勻，則每延米墻體受力計算如圖3所示。

圖3 有樁基礎墻體受力計算

由圖3計算在距墻底x處墻身所受拉力公式為：

在墻頂與閘室底板交界處，墻身受力達到最大值，其計算公式為：

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為墻側土體平均負摩阻力（N）；其他符號意義同上。

5 墻體受力設計優(yōu)化建議

無樁情況下，墻體相對地基產生向下的相對運動，土地對墻體產生向上的摩擦力，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，容易產生水閘底板脫空現象；摩擦型樁由于設計保守，同樣會產生水閘底板脫空問題。閘底板脫空表明地基相對墻體產生向下的相對運動，土地對墻體產生負摩阻力，墻體處于受拉狀態(tài)，墻體材料受拉能力一般遠小于受壓能力。特別是對于高壓旋噴樁成墻工藝來說，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力盡可能減小，則需要避免產生負摩擦，即產生底板脫空現象。這樣一來，既能保證底板發(fā)揮正常的防滲效果，同時可以改善墻體受力性能。因此，合理進行樁基礎設計，使樁土共同承擔上部荷載，同時采用變剛度調平設計，根據上部結構和荷載分布情況，合理調整樁距、樁長和樁徑，使建筑物沉降趨于一致的同時避免出現底板脫空現象，使上部結構、底板和垂直防滲墻體受力性能都得到改善，避免出現拉應力狀態(tài)。

6 結語

水閘地基處理和基礎形式對水閘垂直防滲墻體受力產生重要影響。無樁基礎下，垂直防滲墻體處于受壓狀態(tài)；端承型樁，由于底板出現脫空現象，垂直防滲墻體處于受拉狀態(tài)；摩擦型樁由于設計保守，使樁承擔全部荷載，同樣容易引起底板脫空問題，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，當拉應力大于材料的抗拉能力時會使墻體開裂、防滲性能失效甚至嚴重影響水閘的運行安全。因此，在水閘樁基礎設計時，要聯(lián)系工程實際，總結以往的工程經驗，合理選擇摩擦樁的長度和間距，考慮地基土承擔合適的荷載，這樣才能有效地解決樁和地基土沉降不一致的問題，避免底板脫空，保證水閘的安全運行。

TV66；TV135.3

A

1004-7328（2015）01-0061-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.01.022

2014-11-20

季樹凱（1975-），男，碩士，高級工程師，主要從事水利工程建設與管理工作。