水闸闸室的稳定分析和地基处理

1、水闸闸室的稳定分析和地基处理闸室在运用、检修或施工期都应该是稳定的。在运用期，闸室受到水平推力等荷载作用，有可能沿着地基面滑动（通常称为表层滑动），还可能连同一部分地基土体滑动（通常称为深层滑动）。闸室竣工时，一般地，闸室地基表面所受的应力很大，或者应力分布很不均匀，这不但使闸室高程降低，而且会使闸基倾斜甚至断裂，地基也有可能失去稳定性。因此，必须验算闸室的稳定性，以保证在各种情况下闸室均能安全可靠地运用。1荷载计算及组合1.1荷载计算闸室荷载主要有以下7种（图7-44）。1. 自重自重指闸室自身重力，包括底板、闸墩、胸墙、工作桥及桥墩、交通桥、便桥、闸门及启闭设备等的重力。2. 水重水重指闸

2、室范围内作用在底板上面的水体重力。3. 水平水压力水平水压力指胸墙、闸门及闸墩侧面所受到的水平水压力。当有钢筋混凝土铺盖时（图7-45），止水片以上的水平水压力按静水压力分布考虑；止水片以下缝内的水平水压力按下述方法计算：由于渗流区内任一点的水压力强度等于该点的静水压强（相对于下游水位）与渗透压强之和，在止水片以下的缝内水流状态可以认为是静止的，所以，缝内渗透压强处处相等，其数值即为缝底这一点（图7-45中的第7点）的渗透压强，而缝内静水压强按一般方法计算。图 7-44 闸室荷载（第5版 图7-41 图名相同）、水平水压力；波浪压力；底板重；启闭机重；工作桥及桥墩重；胸墙重；闸墩重；闸门重；交

3、通桥重；、水重；扬压力；浮托力；渗透压力；地基反力；波浪高度；波浪中心线超出计算水位的高度；波浪长度图 7-45 闸室上游水平水压力计算图（单位：m）图7-45所示，已知第7点渗透压强为31.9kPa，第8点渗透压强为30.5kPa，通过上述计算即可获得闸室上游面各点水平水压强及其分布情况。对于黏土铺盖（图7-44），从偏于安全角度考虑，在a点的静水压强与b点的水压强（静水压强与渗透压强之和）之间，用直线相连，即得黏土铺盖与闸室接触面上的水平水压力图。闸室底板上、下游浅齿墙的内侧斜面上也有水平水压力，两者方向相反，数值相差较小，可略而不计。4. 扬压力扬压力指作用于闸底面铅直向上的渗透压力与浮

4、托力的总和。5. 波浪压力确定波浪压力，首先要计算波浪高度和长度。过去多使用安德烈雅诺夫或鹤地水库公式，计算结果有时偏大很多。SL 2652016水闸设计规范推荐采用莆田试验站公式计算平均波高和平均波周期，该法系以浅水海湾10年的实测资料为依据，经过整理分析后提出的。 地震作用在地震区修建的大、中型水闸设计中，当设计烈度为度或大于度时，必须考虑地震作用，应进行地震计算。有关水闸中的地震作用计算详见SL 20397水工建筑物抗震设计规范。 淤沙压力淤沙压力可按第一章介绍的方法计算。1.2荷载组合水闸在施工、运用及检修过程中，各种作用荷载的大小、分布及机遇情况是经常变化的，因此，验算闸室稳定应根据

5、水闸不同的工作情况和荷载机遇情况，选择不利的荷载组合作为计算依据。荷载组合情况分为基本组合和特殊组合两种。1. 基本组合基本组合分为正常蓄水位、设计洪水位及完建与冰冻等四种情况。由每种情况下同时出现的基本荷载组成，见表7-7。2. 特殊组合特殊组合分为校核洪水位及施工、检修与地震等4种情况。由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成，地震荷载只应与正常蓄水位情况下的相应荷载组合，详见表7-7。表7-7 荷载组合表荷载组合计算情况荷载说明自重水重静水压力扬压力土压力淤沙压力风压力浪压力冰压力土的冻胀力地震作用其他基本情况完建必要时，可考虑地下水产生的扬压力正常蓄水位按正常蓄水位组合计算水重、静

6、水压力、扬压力及浪压力设计洪水位按设计洪水位组合计算水重、静水压力、扬压力及浪压力冰冻按正常蓄水位组合计算水重、静水压力、扬压力及冰压力特殊情况施工应考虑施工过程中各个阶段的临时荷载检修按正常蓄水位组合（必要时可按设计洪水位组合或冬季低水位条件）计算静水压力、扬压力及浪压力校核洪水位按校核洪水位组合计算水重、静水压力、扬压力及浪压力地震按正常蓄水位组合计算水重、静水压力、扬压力及浪压力2表层抗滑稳定计算在水闸运用期内，当闸室作用于地基的铅直力较小而水平力达到某一限值时，闸室即沿地基表层滑动。此时可将作用力归纳为两类：滑动力，主要是水平向的水压力；抗滑力，主要是底板与地基接触面上的摩擦力和凝聚力

7、。如滑动力小于可能产生的最大抗滑力，闸室即能保持稳定，反之，则会产生滑动。验算闸室稳定时，其计算单元的选择应根据水闸结构布置特点确定。对于未设顺水流向永久缝的单孔、双孔或多孔水闸，则以未设缝的单孔、双孔或三孔水闸作为一个计算单元；对于采用顺水流向永久缝进行分段的多孔水闸，一般情况下，由于边孔闸墩和中孔闸墩的结构边界条件及受力状况有所不同，因此应将边孔闸段和中孔闸段分别作为计算单元。当闸室上、下游两端齿墙较浅，或者底板较长时，闸室滑动面可取为闸底板与地基的接触面。土基上沿闸室基底的抗滑稳定安全系数，应按下列两式之一进行计算，即 （7-33） （7-34）式中：为铅直方向作用力的总和，kN；为水平

8、方向作用力的总和，kN；为闸室基底面与地基之间的摩擦系数，见表7-8，对于大型水闸，应作现场地基土对混凝土板的抗滑强度试验加以验证；为土基上抗滑稳定安全系数的允许值，见表7-9；为闸室基础底面与土质地基之间的摩擦角，()；为闸室基底面与土质地基之间的黏结力，kPa；为闸室计算段基底面的面积，m2。表 7-8 摩擦系数f值地基类别f地基类别f黏土软弱0.200.25砾石、卵石0.500.55中等坚硬0.250.35碎 石 土0.400.50坚硬0.350.45软质岩石极软0.400.45壤土、粉质壤土0.250.40软0.450.55砂壤土、粉砂土0.350.40较软0.550.60细砂、极细砂

9、0.400.45硬质岩石较坚硬0.600.65中砂、粗砂0.450.50坚硬0.650.70砂砾石0.400.50表 7-9 土基上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的允许值Kc荷 载 组 合水 闸 级 别备 注1234、51. 特殊组合适用于施工情况、检修情况及校核洪水位情况。2.特殊组合适用于地震情况基 本 组 合1.351.301.251.20特殊组合01.051.101.051.051.00对于黏性土地基上的大型水闸，宜按式（7-34）验算其抗滑安全系数。式中的及值的选取，随不同的地基情况而异。闸室基底面与土质地基之间摩擦角值及黏结力值可根据土质地基类别按表7-10的规定采用。采用、值时，应

10、按公式（7-35）折算闸室基底面与土质地基之间的综合系数。对于黏性土地基，如折算的综合摩擦系数大于0.45，或对于砂性土地基，如折算的综合摩擦系数大于0.50，采用的值和值均应有论证。对于特别重要的大型水闸工程，采用的值和值还应通过现场地基土对混凝土板的抗滑强度试验加以验证。 （7-35）式中：为闸室基底面与土质地基之间的综合摩擦系数。表7-10 、值（土质地基）土质地基类别 值 值黏性土0.9 （0.20.3）砂性土（0.850.9）0注：为室内饱和固结快剪（黏性土）或饱和快剪（砂性土）试验测得的内摩擦角（）；为室内饱和固结快剪试验测得的黏结力，kPa。对于小型水闸，闸室底板两端往往采用相对

11、较深齿墙，此时需沿着两齿墙之间地基土的滑动面进行验算，并计入滑动面以上及两齿墙之间的土重，同时，也要考虑两齿墙外侧的土压力。岩基上沿闸室基底面的抗滑安全系数，应按式（7-33）或式（7-36）计算。 （7-36）式中：为闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断摩擦系数；为闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断黏结力，kPa，见表7-11，但选用的值和值不应超过闸室基础混凝土本身的抗剪断参数值；为岩基上抗滑稳定安全系数的允许值，见表7-12。 表 7-11 岩石地基、值岩石地基类别（MPa）岩石地基类别（MPa）硬质岩石坚硬1.51.31.51.3软质岩石较软1.10.91.10.7较 坚 硬1.31.11.

12、31.1软0.90.70.70.3极软0.70.40.30.05表 7-12 岩基上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的允许值荷 载 组 合按式（7-33）计算按式（7-36）计算备 注水 闸 级 别1. 特殊组合适用于施工情况、检修情况及校核洪水位情况。2. 特殊组合适用于地震情况12、34、5基 本 组 合1.101.081.053.00特殊组合1.051.031.002.501.002.30当闸室抗滑稳定性不能满足要求时，主要应从提高抗滑力方面考虑，可采用下列一种或几种抗滑措施：调整闸门位置，或将底板向高水位一侧加长，以增加水重；增加铺盖和板桩（或帷幕灌浆）的长度（或深度），或在不影响防渗安全

13、的条件下，将排水设施向水闸底板靠近，以减小底板底部的渗透压力；增加闸室底板的齿墙深度；利用钢筋混凝土铺盖作为阻滑板，此时，闸室自身（即不考虑阻滑板作用）抗滑稳定安全系数不应小于1.0，计算阻滑板所增加的抗滑力时，阻滑板效果的折减系数可采用0.80，阻滑板应满足抗裂要求；增设钢筋混凝土抗滑桩或预应力锚固结构；适当增大闸室结构尺寸。如利用钢筋混凝土铺盖作为阻滑板，则在闸室与阻滑板之间必须用钢筋铰连接，使阻滑板与闸室既能连成一体，又能适应不均匀沉降。这样就能利用铺盖自重和铺盖顶、底面的水压力差值来增加闸室的稳定性。考虑到阻滑板对水闸的安全性和经济性，这种抗滑措施在工程中很少采用。当闸室设有两道检修闸

14、门，或只设一道检修闸门而利用工作闸门与检修闸门进行检修时，应按下式计算闸室抗浮稳定安全系数。 （7-37）式中：为作用在闸室上所有向下的铅直力之和，kN；为作用在闸室基底面上的扬压力，kN。在上述闸室抗浮稳定计算中，不论水闸级别和地基条件，应满足下来要求：在基本荷载组合条件下，1.10；在特殊荷载组合条件下，1.05。3地基稳定和闸室沉降的验算闸室在铅直力和水平力作用下，除有可能产生上述表层滑动外，随着荷载（特别是铅直荷载）的不断增大，地基土壤的塑性变形区也不断发展，当地基某些区域中的应力状态达到或接近极限平衡应力状态，并形成一个连续的滑动面时，闸室将连同地基的部分土体产生深层滑动。此外，当水

15、闸刚建成，只有铅直力而无水平力时，闸室对地基所产生的压力较大，此时地基也有可能受压而破坏。因此，除验算闸室的表层抗滑稳定性外，还必须验算地基的稳定性。1. 基底应力作用在闸室上的各种荷载，通过底板传给地基，在地基表面产生应力，即为基底应力。基底应力的分布与底板的刚度、尺寸、砌置深度及地基性质等因素有关，呈曲线分布。由于闸墩在顺水流方向刚度很大，可近似地把基底应力作为直线分布，这与实际情况较接近。当结构布置及受力情况对称时，其闸室基底应力的最大值和最小值可按偏心受压公式计算，即 （7-38）式中：为作用在闸室上的全部竖向荷载，kN；为作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形

16、心轴的力矩，力矩以顺时针为正，逆时针为负，kNm；为计算闸室段的宽度，m；为底板长度，m。当结构布置及受力情况不对称时，可参阅SL 2652016水闸设计规范。在各种计算情况下，对于土基上的水闸，要求闸室平均基底压应力不大于地基允许承载力；最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍；闸室基底应力的最大值与最小值的比值不大于允许的比值。规定的允许值见表7-13。对于岩基上的水闸，要求闸室最大基底应力不大于地基允许承载力；在非地震情况下，闸室基底不出现拉应力；在地震情况下，闸室基底拉应力不大于100kPa。表 7-13 值地基土质荷 载 组 合备 注基 本特 殊1. 对于特别重要的大型水闸，采用值

17、可按表列数值适当减小2. 对于地震区的水闸，采用值可按表列数值适当增大3. 对于地基特别坚实或可压缩土层甚薄的水闸，可不受本表的规定限制，但要求闸室基底不出现拉应力松 软1.52.0中等坚实2.02.5坚 实2.53.0水闸地基一般是非均质的，同时，除了受地表的铅直和水平荷载作用外，还要承受渗透压力等作用。因此，水闸地基的抗滑稳定性很难由上述允许承载力的方法来完全反映实际情况。在水闸设计中，有时还要采用较能反映地基性质和荷载特点的圆弧滑动法或折线滑动法进行深层稳定验算。2. 闸室沉降由于土基压缩变形大，容易引起较大的沉降，而过大的沉降差，将引起闸室倾斜、裂缝、止水破坏，甚至使建筑物顶部高程不足

18、，影响建筑物的正常运行。所以，在研究地基稳定的同时，还应考虑地基的沉降。通过计算和分析，可以了解地基的变形情况，以便选用合理的水闸结构型式，确定适宜的施工程序和施工进度，或进行适当的地基处理。对卵砾石和中、粗砂地基可不进行地基沉降计算。水闸土质地基沉降可只计算最终沉降量，并应选择有代表性的计算点进行计算，计算时应考虑结构刚性的影响。地基沉降计算，一般采用分层总和法，每层厚度不宜超过2m，计算深度根据实践经验，通常计算到附加应力与土体自重应力之比为0.10.2处，软土地基取小值，坚实地基取大值。如果将计算土层分为层，每层的沉降量为，则总的沉降量应为 （7-39）式中：为土质地基最终沉降量，m；为

19、土质地基压缩层计算深度范围内的土层数；、分别为基础底面以下第i层土在平均自重应力及平均自重应力加平均附加应力作用下，由压缩曲线查得的相应孔隙比；为基础底面以下第i层土的厚度，m；为第i层地基沉降量修正系数，可采用1.01.6，坚实地基取较小值，软土地基取较大值。土质地基允许最大沉降量和最大沉降差，目前尚无统一标准，应以保证水闸安全和正常使用为原则，按工程具体情况研究确定。天然土质地基最大沉降量不宜超过15cm，沉降差不宜超过5cm。当超过上述允许值，可采用以下一种或几种措施：改变闸室上部结构型式，使用轻型结构，或加强结构刚度。调整闸室布置，尽量使基底应力均匀分布，或采用沉降缝隔开。改变基础型式

20、或刚度。增大基础面积和埋置深度。进行地基处理，以提高地基承载力。安排合适的施工程序，重量大的结构先施工，使地基先行预压；严格控制施工速率，以减小竣工后的沉降量。地基沉降与时间的关系比较复杂，与土层的厚度、压缩性、渗透性、排水条件、附加应力以及土层的相对位置和建筑物的施工进度等因素有关，计算中尚难周密考虑，因而计算结果只能是近似的。对砂性土地基，由于压缩性小、渗透性强、压缩过程短，建筑物完工时地基沉降已基本稳定，故一般不考虑其沉降过程。而对黏性土地基，由于在施工过程中所完成的沉降量，一般仅为稳定沉降量的50%60%，故需考虑地基的沉降过程。4地基处理根据工程实践，当黏性土地基的贯入击数大于5、砂

21、性土地基的贯入击数大于8时，可直接在天然地基上建闸，不需进行处理。设计水闸应尽可能利用天然地基，如遇有淤泥质土、高压缩性黏土和松砂等软弱地基，即使选择轻型的水闸结构形式，也很难满足地基沉降量及稳定要求，此时需要进行地基处理，下面简述几种常用的地基处理方法。1. 换土垫层图7-46 换土垫层布置（第5版 图7-43 图名相同）当软土层如软弱黏性土、淤泥质土等位于基面附近，且厚度较薄时，可全部挖除；当软土层较厚，不宜全部挖除或工程量较大时，可采用换土垫层法处理，将表层软土挖除，换以砂性土，水闸建在新换的砂土垫层上，见图7-46所示。图7-46 换土垫层布置（第5版 图7-43 图名相同）砂垫层的主

22、要作用是：通过垫层的应力扩散作用，增加软土层的受力面积以减小其所受的附加应力，提高地基的稳定性、减小地基沉降量；砂土层具有良好的排水作用，可加快软土地基固结。垫层设计主要是确定垫层厚度、宽度及所用材料。垫层厚度应根据土质情况、结构型式、荷载大小等因素决定，以不超过下卧土层允许承载力为原则确定，一般采用1.53.0m。垫层的宽度，通常选用建筑物基底应力扩散至垫层底面的宽度再加23m。垫层的传力扩散角，对中壤土及含砾黏土，可取2025；对中砂、粗砂，可取3035。换土垫层材料应满足压缩小、强度较大及施工方便等条件，宜采用中壤土、中砂、粗砂及含砾黏土等。不宜采用黏土，为防止液化，也不应采用粉砂、细砂

23、及砂壤土。砂土可排除垫层下面软土层的孔隙水，以加速软土层的固结过程。但由于砂土透水性大，必须采取防渗措施。2. 强力夯实法透水性较好的松软地基、稍密的碎石土或松砂地基可采用强力夯实法。强力夯实法是将重锤提高到1015m的高度，使其自由下落，对地基产生巨大的冲击力，使土体瞬时液化，从而产生较大的瞬时沉降，使土体压实。强夯时，应在表层铺设12m厚的透水垫层，并设置排水砂井，以利于土体固结。每夯一遍后，要间歇一定的时间才能进行复夯。夯点距离和夯击遍数可在夯实工作前选择试点通过现场试验确定。3. 振冲桩法该法采用一根类似混凝土振捣棒的振冲器，其下端有喷水口，在振动和高压水流的联合作用下，使周围土体密实

24、，形成一直孔，然后在孔内回填砂（或碎石），最后又在振冲器的作用下使之压实，形成砂（或碎石）桩。这种方法不仅可以提高地基承载力，减小沉降量，还可对饱和砂土提高其抗振动液化能力，同时又具有操作简单、施工进度快、工期短及造价低等优点。该法适用于松砂、软弱的粉砂、砂壤土或砂卵石地基。振冲砂（或碎石）桩的孔径一般为0.60.8m，桩距1.52.5m，呈梅花形或正方形布置。孔深根据设计要求和施工条件确定。当软土层不厚时，砂（或碎石）桩可穿过土层，其填料宜采用级配良好的砂、碎石等。碎石最大粒径不宜大于5cm，含泥量不大于5%。4. 桩基础当闸室结构重力较大，软土层较厚而地基承载力又不够时，可考虑采用桩基础。

25、最常用的是钢筋混凝土桩、钻孔灌柱桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩、水泥粉煤灰碎石桩基础。（1）钢筋混凝土桩主要由圆筒形 HYPERLINK /s?wd=%E6%B7%B7%E5%87%9D%E5%9C%9F%E9%A2%84%E5%88%B6%E6%9E%84%E4%BB%B6&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1dWnjNhm1b3mynvuWTdmWI-0ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGU

26、v3EPH6kPWDdnj0v t _blank 混凝土预制构件桩身、端头板和钢套箍等组成，分为预应力钢筋混凝土管桩（简称预应力管桩）和预制钢筋混凝土管桩。根据打（沉）桩方法的不同，钢筋混凝土预制桩基础施工有锤击沉桩法、静力压桩法及振动法等，以锤击沉桩法和静力压桩法应用最为普遍。（2）钻孔灌注桩 HYPERLINK /lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=7624264&ss_c=ssc.citiao.link t _blank 灌注桩系是指在工程现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成桩孔，并在其内放置 HYPERLINK /lemma/ShowIn

27、nerLink.htm?lemmaId=59808236&ss_c=ssc.citiao.link t _blank 钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩，依照成孔方法不同，灌注桩又可分为 HYPERLINK /lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=7749975&ss_c=ssc.citiao.link t _blank 沉管灌注桩、钻孔灌注桩和挖孔灌注桩等几类。钻孔灌注桩的施工，因其所选护壁形成的不同，有泥浆护壁方法和全套管施工法两种。（3）水泥土搅拌桩水泥土搅拌桩是用于加固饱和软黏土地基的一种方法，它利用水泥作为 HYPERLINK /lemma/ShowInnerLi

28、nk.htm?lemmaId=2019805&ss_c=ssc.citiao.link t _blank 固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的“土桩”。 水泥加固土的基本原理是基于水泥加固土的物理化学反应过程，它与混凝土硬化机理不同，由于水泥掺量少，水泥是在具有一定活性介质-土的围绕下进行反应，硬化速度较慢，且作用复杂，水泥水解和水化生成各种水化合物后，有的又发生 HYPERLINK /lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=361613&ss_c=ssc.citiao.link t _blank 离子交换和团粒化作用以及凝硬反应，使水泥 HYPERLINK /lemma/ShowInnerLi