水闸垂直防渗墙体受力特性分析

季树凯，张岳松

（天津水务投资集团有限公司，天津300204）

水闸垂直防渗墙体受力特性分析

季树凯，张岳松

（天津水务投资集团有限公司，天津300204）

对水闸防渗体系布置进行简要介绍，分析水闸在无桩基础、端承型桩基础和摩擦型桩基础条件下垂直防渗墙体的受力特性，提出改善墙体结构受力的设计优化措施。

水闸；防渗体系；基础

1 引言

水闸是一种利用闸门挡水和泄水的低水头水工建筑物。水闸建成后，在上下游水头差的作用下，将在水闸基础下产生渗流，对水闸产生不利影响；严重时，降低闸室的抗滑稳定性，引起地基的渗透变形，造成安全隐患，甚至引起安全事故。因此，做好水闸地基防渗设计，对于保证水闸安全至关重要。

2 水闸防渗体系布置

水闸防渗体系布置中，上游铺盖、垂直防渗体及底板都是相对不透水的，下游消力池设排水孔，不阻水。在水头H作用下，闸基内的渗流将从排水孔逸出。不透水的铺盖、垂直防渗墙体及底板与地基的接触线，即闸基渗流的第一根流线，称为地下轮廓线，其长度为水闸的防渗长度。水闸的防渗布置，如图1所示。

图1 水闸防渗布置

水闸防渗设计首先要确定防渗长度，包括水平防渗和垂直防渗。水平防渗一般由上游铺盖和闸室底板组成，在水平防渗不能满足渗流稳定要求时，需要布置垂直防渗措施。垂直防渗渗径是水平防渗的两倍，防渗效果好，综合造价合理，闸室上游常采用铺盖和垂直防渗墙体相结合的布置形式。

水闸的防渗排水布置应根据闸基地质条件和上下游水位差等因素综合分析确定。《水闸设计规范》（SL265-2001）规定，为保证水闸安全，初步拟定其所需的防渗长度计算公式为：

式中：L为水闸的防渗长度即闸基轮廓线水平段和垂直段长度总和（m）；H为上下游水头差（m）；C为允许渗径系数，依地基土性质而定。

由于地基土体在上部荷载和自重下的固结变形缓慢，特别是饱和软土地基，垂直防渗墙体在地基土体因固结产生沉降时，受力特性是一个变化的过程，在不同的基础形式下，其垂直防渗墙体与土体之间相互作用的机理是不同的。下面将区分无桩基础和有桩基础两种不同工况，分析水闸在不同地基条件和基础形式下垂直防渗墙体的受力情况。

3 无桩基础垂直防渗墙体受力分析

水闸在上部荷载的作用下，土基压缩变形大，将引起较大的沉降。当地基满足承载力要求时，在天然地基上修建水闸工程，地基将发生较大的变形。垂直防渗墙体一般采用混凝土或水泥土材质，其变形模量远大于地基土体，垂直防渗墙体在荷载作用下的变形可忽略不计。墙体相对地基产生向下的相对运动，土体对墙体产生向上的摩擦阻力。一般情况下，在摩擦阻力和墙体自重双重作用下，墙体可简化为一受压结构，假设地基土体性质均匀，则每延米墙体受力计算如图2所示。

图2 无桩基础墙体受力计算

由图2计算在距墙底x处墙身所受压力公式为：

在墙顶与闸室底板交界处，墙身受力达到最大值，其计算公式为：

式中：Nx为每延米宽距墙底x截面处墙体所受压力（N）;Nmax为每延米宽墙顶截面处墙体所受压力（N）; qs为墙侧土体平均摩阻力（N）;ρ为墙体材料密度（kg/m3）;g为重力加速度（m/s2）;d为墙体平均宽度（m）;x为计算截面距墙底的长度（m）;L为墙体高度（m）。

4 有桩基础底板脱空防渗墙体受力分析

在软弱地基上建闸，地基往往不能满足水闸基础承载力要求，工程中常采用桩基础来提高地基承载力，最常用的桩基础是钢筋混凝土预制桩和钻孔灌注桩。根据桩的受力特征可把桩分为端承型桩和摩擦型桩两大类。端承型桩桩端深入到可靠层，承载力高，很容易满足地基承载力要求，而且上部荷载全部作用在桩上，闸室沉降小，然而很容易产生水闸底板脱空现象，影响水闸安全运行。摩擦型桩桩端在软土层中，主要靠桩与地基土间的摩擦力来承担荷载，能很好地适应地基沉降，减少水闸底板脱空现象。然而在工程中，设计人员往往只考虑摩擦桩的承载力，桩设计过长、过密使摩擦桩承担全部荷载，且经长期作用地基上部软土固结沉降值大于底板沉降时，同样会产生水闸底板脱空问题。天津滨海软土地区防潮闸中，设计虽采用摩擦型桩基础，但底板大部分存在脱空现象。

防渗墙体设计长度相对于桩基础要短，天津滨海地区防潮闸基础设计一般小于桩基础长度1/2。闸底板脱空造成底板失去防渗功能，使渗径减小，同时表明底板下一定范围内地基土体沉降大于底板及防渗墙体的沉降，地基相对墙体产生向下的相对运动，土地对墙体产生向下的摩擦阻力，即所谓负摩阻力。为分析方便，假定在墙体深度范围内，土体对墙体全部为负摩擦，对于端承型桩是成立的，对于摩擦型桩计算结果偏于保守。

一般情况下，在负摩阻力和墙体自重双重作用下，墙体可简化为一受拉结构，假设地基土体性质均匀，则每延米墙体受力计算如图3所示。

图3 有桩基础墙体受力计算

由图3计算在距墙底x处墙身所受拉力公式为：

在墙顶与闸室底板交界处，墙身受力达到最大值，其计算公式为：

式中：Tx为每延米宽距墙底x截面处墙体所受拉力（N）;Tmax为每延米宽墙顶截面处墙体所受拉力（N）; qsn为墙侧土体平均负摩阻力（N）；其他符号意义同上。

5 墙体受力设计优化建议

无桩情况下，墙体相对地基产生向下的相对运动，土地对墙体产生向上的摩擦力，墙体处于受压状态，墙体材料受压能力一般能够满足受力要求。

端承型桩由于闸室沉降小，容易产生水闸底板脱空现象；摩擦型桩由于设计保守，同样会产生水闸底板脱空问题。闸底板脱空表明地基相对墙体产生向下的相对运动，土地对墙体产生负摩阻力，墙体处于受拉状态，墙体材料受拉能力一般远小于受压能力。特别是对于高压旋喷桩成墙工艺来说，材料抗拉能力较差，容易造成墙体断裂，致使其防渗功能失效，引起安全事故。

为避免墙体受拉或使拉应力尽可能减小，则需要避免产生负摩擦，即产生底板脱空现象。这样一来，既能保证底板发挥正常的防渗效果，同时可以改善墙体受力性能。因此，合理进行桩基础设计，使桩土共同承担上部荷载，同时采用变刚度调平设计，根据上部结构和荷载分布情况，合理调整桩距、桩长和桩径，使建筑物沉降趋于一致的同时避免出现底板脱空现象，使上部结构、底板和垂直防渗墙体受力性能都得到改善，避免出现拉应力状态。

6 结语

水闸地基处理和基础形式对水闸垂直防渗墙体受力产生重要影响。无桩基础下，垂直防渗墙体处于受压状态；端承型桩，由于底板出现脱空现象，垂直防渗墙体处于受拉状态；摩擦型桩由于设计保守，使桩承担全部荷载，同样容易引起底板脱空问题，垂直防渗墙体处于受拉状态。由于墙体材料一般受拉性能较差，当拉应力大于材料的抗拉能力时会使墙体开裂、防渗性能失效甚至严重影响水闸的运行安全。因此，在水闸桩基础设计时，要联系工程实际，总结以往的工程经验，合理选择摩擦桩的长度和间距，考虑地基土承担合适的荷载，这样才能有效地解决桩和地基土沉降不一致的问题，避免底板脱空，保证水闸的安全运行。

TV66；TV135.3

A

1004-7328（2015）01-0061-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.01.022

2014-11-20

季树凯（1975-），男，硕士，高级工程师，主要从事水利工程建设与管理工作。