水利枢纽沉降差计算深度探讨

2018-01-15胡一凡

陕西水利 2017年6期

胡一凡

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

水利枢纽根据不同功能，分为防洪、灌溉（或供水）和航运等，一般由水闸闸室、泵站厂房、船闸闸室等主体建筑物与副厂房、安装间、管理楼等辅助建筑物组成，为了减少占地和投资，同时又便于施工和管理，各个水工建筑物之间应尽量布置紧凑。根据水利枢纽布局紧凑的特点，为确保建筑物的安全和正常使用，结构设计中应充分考虑建筑物在设计使用年限内既不能发生过量沉降，又要严格控制相邻建筑物之间的沉降差，参照《水闸设计规范》（SL265-2001）相关规定，即单体建筑物的最大沉降量不宜大于15 cm，而相邻部位的最大沉降差控制更为严格，不宜大于5 cm[3]。在沉降分析中，按照规范规定分别确定各建筑物下地基压缩层计算深度时，其计算深度大小不一，有时甚至相差很大，本文结合沉降计算原理及工程案例分析，对分析相邻建筑物沉降差时计算深度的取值进行探讨分析。

1 沉降计算原理

1.1 计算方法

基于理论上一定的局限性，以及地基复杂的实际情况难以通过勘察实验来得到精确衡量，因此，要准确地计算地基沉降量是很困难的，任何沉降计算方法都只能是近似的。目前我国水利行业相关规范中采用的沉降计算公式虽然形式不同，但都基于同一基本假定，即假定地基的沉降是由于在结构物荷载作用下，基底压力线性分布，附加应力计算采用弹性理论，基底下有限厚度的压缩层在不能侧胀条件下压实的结果，采用的是同一方法,即分层总和法[1-4]。

分层总和法是在地基沉降计算深度范围内划分为若干层，计算各分层的压缩量，然后求其总和。计算时应先按相关规定确定地基沉降计算深度，且在地基沉降计算深度范围内进行分层，然后计算基底附加应力，各分层的顶、底面处自重应力平均值和附加应力平均值。通常假定地基土压缩时不允许侧向变形（膨胀），即采用侧限条件下的压缩性指标。为了弥补这样得到的沉降量偏小的缺点，通常取基底中心点下的附加应力计算地基最终沉降量。分层总和法计算公式如下：

式中：S为地基的最终沉降量；Esi为第i分层的压缩模量；ΔPi为第i分层土的平均附加应力；hi为第i分层土的厚度; e1i为第i层土在自重应力作用下的孔隙比；e2i为第i层土在自重应力和附加压力共同作用下的孔隙比；m为经验系数。

1.2 计算深度的确定

合理确定压缩层深度是影响沉降分析的重要因素。基底应力往下传递的范围是有限的，且随深度减小，而土体连接强度随着深度递增，可压缩性也越小，但附加应力引起土体压缩的影响范围，目前仍难以在理论上得到精确判断。因此，在没有明显岩基或不可压缩层的情况下，沉降计算深度只能凭借经验，假设在某一深度以下附加应力所引起的土层压缩对建筑物己无实际意义，计算基础沉降量时只需考虑这一深度以上土层的压缩量，所得到的成果能够满足工程设计的需要。

沉降计算深度的确定方法主要有两大类:应力比法和应变比法。应力比法的原理主要以计算地基附加压力与土自重压力之比达到一定数值作为压缩层厚度的确定标准[1,3,4]。应变比法的原理主要为地基压缩层厚度自基础底面算起，算到某一厚度土层的压缩量满足一定条件的深度作为压缩层厚度[2]。两种方法都存在不足之处，应力比法是早期沿用前苏联规范中的方法,计算简便,而且沿用成为习惯,并具有相当的应用经验,在现行规范中使用的更加广泛。

2 沉降差计算深度的探讨

地基沉降计算是水利枢纽工程设计中的重要内容，在分析相邻建筑物沉降差的时候，由于各建筑物结构差异，根据相关规范按应力比法分别确定地基压缩层计算深度时，其计算深度大小不一，有时甚至相差很大，这与实际情况显然不符。从工程设计角度考虑，笔者认为应考虑统一地基压缩层深度，并采用其中的最大计算深度进行沉降差的计算分析，理由主要又以下几点：

（1）计算模型的统一

计算深度是对基底应力往下传递深度及土体可压缩性范围的假设。水利枢纽作为多个建筑物的综合体，且布局集中、紧凑，整体应视为处于同一地基模型上，在计算每个单体建筑物地基变形时均考虑相邻建筑物附加荷载的影响，理应统一考虑压缩层深度和基底应力往下传递深度，以此对相邻建筑物沉降差进行计算分析，这样计算得到的结果更具对比性，也更符合实际情况。

（2）不利条件的控制

地基土的应力-应变关系十分复杂，沉降计算方法是采用尽量简单的力学模型，反应地基土在外荷载作用下最基本的变形特性，便于实验提供土性参数进行定量计算，以供工程设计中对建筑物沉降进行评估、分析。因此，沉降计算深度是为了简化计算过程，人为假定的一个地基土的压缩层范围，其确定原则应以满足工程设计需要为依据，能够在各种不利条件下，将建筑物沉降控制在允许范围内，从而确保建筑物的安全和正常使用为前提。比如，根据规范确定的计算深度以下有较软土层时,从安全角度考虑，尚应增加深度进行计算。同理，按单体最大计算深度作为标准来复核相邻建筑物的沉降差，计算成果更安全。

（3）严格要求的考量

水利枢纽中，一般单体建筑基础尺寸和刚度比较大，对地基沉降的适应性比较强，因此在不危及结构安全和不影响使用功能的条件下，基础的最大沉降量控制在15 cm以内是允许的。同时，水利枢纽作为多个建筑物的综合体，当相邻建筑物发生过大的沉降差将会影响轨道等设施正常运行，严重的甚至将破坏各建筑物之间的防水措施，危及建筑物安全，因此相邻建筑物沉降差控制更为严格，需满足小于5 cm的要求。根据相关规范规定确定的计算深度不可能完全和实际一致，但对于建筑物沉降量定性分析基本可控，而对于更为严苛的沉降差要求，计算条件的考虑不周就有可能在工程设计中留下隐患，因此宜按单体最大计算深度对相邻建筑物沉降差进行复核。

3 工程案例分析

某水利枢纽由一座1×14m节制闸和一座40m3/s双向泵站组成。节制闸与泵站并列布置在河道中央，泵站安装间、副厂房（兼作管理楼）布置在河道西岸紧靠主泵房，泵站上下游侧布置有进出水池。本文仅以主泵房和节制闸的沉降计算为例，初拟各建筑物基础情况见表1。计算时各层土的压缩模量均取该层土在自重应力至土的自重应力与附加应力之和的压力段的实验数据，各建筑物基础下地质分层及土层压缩模量详见表2。

表1 各建筑物基础统计表

表2 各建筑物基底附加应力计算表

基底附加应力按对应于荷载效应准永久组合时的基底应力来减去基底处土的自重应力确定。在计算每个单体建筑物地基变形时均考虑枢纽其他建筑物的影响，底板中心点下的附加应力按应力叠加原理采用角点法计算。基础下方桩基础的设计桩距不大于6倍桩径，采用实体深基础简化计算[1]。根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94－2008），按附加应力与自重应力之比为0.2确定的各建筑物地基压缩层计算深度差异较大，主泵房为-24.5m高程，节制闸为-19.4m，计算深度高差达到5.1m。计算深度与应力比关系见表3。

枢纽各建筑物基础最终沉降量计算值详见图2。根据计算结果，单体建筑物的最大沉降量均小于15 cm，节制闸与主泵房按各自计算深度计算的沉降差满足不大于5 cm的要求；当统一到最低计算深度-24.5m高程时，出现了沉降差超过5 cm的情况，需进一步加强节制闸的地基处理来控制沉降差。

4 结语

地基沉降计算是水利枢纽工程设计中的重要内容，在水利工程建设中，因沉降量或不均匀沉降量超过允许值均会影响建筑物正常使用，造成工程事故，因此在分析相邻建筑物沉降差的时候，有必要以相关规范规定为指导，结合沉降计算原理，合理判断计算深度的取值，从安全角度出发，分析最不利情况来预估沉降量，以避免不均匀沉降带来的危害。根据上述工程案例分析可以看出，按照相关规范要求确定的计算深度，满足定性分析单体建筑物沉降量的需要，但不一定满足要求更高的沉降差控制。为此，工程设计中宜统一最低计算深度对相邻建筑物进行沉降差分析，使得计算模型统一更具对比性，计算成果更安全，同时也有利于严格控制沉降差。