唐耕耘

（安徽省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，安徽 合肥 230000）

0 引言

隨著水閘在我國(guó)水工建筑的建設(shè)過(guò)程中被運(yùn)用的越來(lái)越廣泛，很多學(xué)者對(duì)其相關(guān)研究也越來(lái)越深入，但由于水閘的復(fù)雜性，特別是砂土地基上的水閘設(shè)計(jì)分析等相關(guān)問(wèn)題還有待進(jìn)行進(jìn)一步的研究。本文在前人相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際的工程項(xiàng)目，對(duì)砂土地基上的水閘設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，從而更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐[1]。

1 工程概況

某項(xiàng)目水閘位于漫灘之上，地形較為開(kāi)闊，地面高程約為23.86m至24.15m。場(chǎng)地地貌單元屬風(fēng)化殘丘地貌及三角洲沖積平原地貌，由第四系海陸交互相及沖、殘積物組成。根據(jù)鉆探揭露，場(chǎng)地地層上部覆蓋層為第四系（Q）土層，依其成因類(lèi)型自上而下分為海陸交互層（Q4mc）、沖積層（Q4al）、殘積層（Qel），下伏基巖為花崗巖。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

從上表可以看出，地表土層為礫砂層，水閘地基位于礫砂層之上，需對(duì)砂性土地基上的水閘進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 水閘結(jié)構(gòu)與地基相互作用相關(guān)基本理論

水閘建筑結(jié)構(gòu)通常建設(shè)在土層地基上，土層地基與水閘結(jié)構(gòu)間的摩擦力直接決定了兩者之間的有效應(yīng)力、彎矩和變形。在現(xiàn)階段，大部分學(xué)者僅僅在進(jìn)行水閘設(shè)計(jì)過(guò)程中假設(shè)水閘結(jié)構(gòu)與地基土之間的接觸面為粗糙的，這往往會(huì)使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相差很大[2]。基于此，可以采用有限元單位計(jì)算方法，在考慮水閘基礎(chǔ)與地基接觸面粗糙的同時(shí)，還可以考慮作用在接觸面上非線性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，這樣計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與往往與實(shí)際情況更為接近。采用有限元法對(duì)水閘建筑物結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與地基進(jìn)行分析時(shí)，在實(shí)際工程過(guò)程中，通常會(huì)進(jìn)行兩個(gè)極端假定：（1）假定接觸面為固定支座，水閘結(jié)構(gòu)與地基之間不發(fā)生相對(duì)變形，僅傳遞應(yīng)力和彎矩；（2）假定接觸面為滑動(dòng)的，即水閘建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與砂土地基之間無(wú)摩擦力的作用，不產(chǎn)生彎矩，不存在水平力，只傳遞豎向力。通常情況下，水閘建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與地基土之間的相互作用位于兩種假定之間，通過(guò)結(jié)合實(shí)際接觸面的情況，水閘建筑結(jié)構(gòu)的材料，砂土的內(nèi)摩擦角等，選取兩種假定之間的某個(gè)特定點(diǎn)進(jìn)行分析[3]。

3 險(xiǎn)情分析

（1）泄流沖刷過(guò)程：在進(jìn)行水閘設(shè)計(jì)過(guò)程中，其中泄流過(guò)程中對(duì)砂土地基土的沖刷是研究的重點(diǎn)難點(diǎn)，在進(jìn)行泄水時(shí)，由于下游水位較低，上下游之間的水位差相差較大，此時(shí)水流產(chǎn)生的動(dòng)能很大，對(duì)砂土地基的沖刷嚴(yán)重，一般情況下，在水閘進(jìn)行泄流之前，會(huì)設(shè)置消力池，消力池會(huì)卸載大部分水流動(dòng)能，殘余動(dòng)能對(duì)砂土地基土進(jìn)行沖刷，當(dāng)沖刷力較強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，水閘地基砂土被水流攜帶沖入下游，造成水閘地基板底脫空，水閘失穩(wěn)，造成工程事故。（2）水力分析：水力的大小主要取決于上下游之間的水位差，當(dāng)水位差大時(shí)，產(chǎn)生的水力大，反之，當(dāng)水位差較小時(shí)，產(chǎn)生的水力較小。在放水條件下，基本情況下均為緩流放水，且通過(guò)消力池的消能，產(chǎn)生的水力值基本上在控制范圍內(nèi)。當(dāng)在惡劣情況下放水，或者在不對(duì)稱情況下開(kāi)啟水閘閘門(mén)時(shí)，其產(chǎn)生的水力值往往較大，且其水力值的作用方向往往具有不確定性，從而水力對(duì)砂土地基進(jìn)行沖刷，裹挾砂土沖下下游，造成底板脫空，水閘基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降或者下沉，造成工程事故[4]。

4 破壞原因分析及采取的對(duì)策措施

通過(guò)上述分析，可知在砂土地基上進(jìn)行水閘設(shè)計(jì)，其沖刷破壞的主要原因有以下幾種：（1）消力池作用有限：消力池對(duì)水力的減弱能力較少，使得作用在砂土地基上的水力值較大，水力值過(guò)大對(duì)砂土地基進(jìn)行沖刷，造成破壞；（2）水閘設(shè)計(jì)不合理：水閘設(shè)計(jì)呈不完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水閘上面的受力不均衡，在相對(duì)薄弱區(qū)域，由于水力沖刷，造成底板脫空，使得水閘下側(cè)的砂土流失，造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；（3）砂土層性質(zhì)：當(dāng)砂土層內(nèi)摩擦角較少時(shí)，更容易出現(xiàn)破壞。針對(duì)上述問(wèn)題，采取的主要應(yīng)對(duì)措施有：①增加消力池的消力效果，將大部分水力值消耗在消力池中，減少水力對(duì)水閘下砂土地基的沖刷；②水閘采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且保證在開(kāi)閘過(guò)程中對(duì)稱，使得受力均衡，使沖水壓力較為均衡的作用在水閘上；③在水閘施工過(guò)程中，應(yīng)確保施工質(zhì)量，特別是對(duì)于一些搭接縫的處理，采用全封閉措施，防止應(yīng)水壓力過(guò)大在水閘部分區(qū)域發(fā)生滲流，造成水閘破壞；④當(dāng)砂土層內(nèi)摩擦角較小，土層性質(zhì)較差時(shí)，在進(jìn)行水閘施工前，可對(duì)砂土地基進(jìn)行地基處理[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在結(jié)合前人分析成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，對(duì)砂土地基上水閘設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究，得出如下結(jié)論：

土層地基與水閘結(jié)構(gòu)間的摩擦力直接決定了兩者之間的有效應(yīng)力、彎矩和變形，其中有限元單元分析因考慮了水閘和砂土地基之間的各種因素，這樣計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與往往與實(shí)際情況更為接近[6]。在出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，主要原因是因水力值過(guò)大導(dǎo)致砂土地基上土層被水流攜帶沖入下游，造成水閘地基板底脫空，水閘失穩(wěn)，造成工程事故。

結(jié)合工程實(shí)際，得出在砂土地基上進(jìn)行水閘設(shè)計(jì)，其沖刷破壞的主要原因有以下幾種：（1）消力池作用有限；（2）水閘設(shè)計(jì)不合理；（3）砂土層性質(zhì)。采取的主要應(yīng)對(duì)措施有：①增加消力池的消力效果；②水閘采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)；③在水閘施工過(guò)程中，應(yīng)確保施工質(zhì)量；④可對(duì)砂土地基進(jìn)行地基處理。