水闸地基沉降计算方法研究

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摘要通过计算和分析闸室地基沉降，可以了解地基的变形情况，以便选择合理的水闸结构型式，进行适当的地基处理是确保水闸结构安全可靠的关键。采用有限元非线性分析方法预测水闸的沉降量，结合相关规范计算水闸地基沉降量和沉降差，确保水闸的正常运行。

关键词 水闸；地基沉降；有限单元法

中图分类号：TV文献标识码： A

水闸是主要利用闸门挡水和泄水的中低水头水工建筑物，多建于河道、渠系及水库、湖泊岸边[1]。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，甚至建筑物顶部高程不足，影响建筑物的正常运行。所以，在水闸设计阶段，应考虑地基的沉降。

1水闸工程概况

水闸闸室顶高程为7.20m。闸室顺水流向总长16m，垂直水流向总宽42.4m，分为三孔，中孔净宽为14m，2个边孔净宽均为8m。闸室采用钢筋混凝土分离式结构，中孔底板与两侧边孔底板结构分离，边孔为“U”型整体结构，混凝土强度等级为C35。闸室底板面高程0.00m，中孔底板厚1.00m，边孔底板厚1.50m。闸室边墩厚1.2m，中墩厚1.0m，顶高程均为7.20m，闸室两侧边墩采用箱体结构。闸室结构图和水闸纵剖面图分别见图1、2所示。

图1 闸室结构图

图2水闸纵剖面图

闸室所处位置的物理力学指标统计表见表1所示。

表1物理力学指标统计表

2规范法计算地基沉降量

2.1自然地基沉降

根据《水闸设计规范》[2]，土质地基最终沉降量可按下式计算：

式中，参数含义详见水闸设计规范8.3节。当按照上式计算时，土质地基压缩层计算深度，可按计算层面处土的附加应力与自重应力之比为0.1~0.2（软土地基取小值，坚实地基取大值）的条件确定。

闸室、消力池均采用天然土基时，经计算闸室底板最终沉降量为155.74mm，消力池底板最终沉降量为78.8mm，即天然土基时闸室和消力池基础最终沉降量均不能满足《水闸设计规范》规定的最大沉降量不宜超过15cm、相邻部位的最大沉降差不宜超过超过5cm的要求，必须进行地基需处理。

为提高竖向承载力及控制基础最终沉降量，闸室两个边孔基础拟采用φ1000mm钻孔灌注桩基础，间距3m，桩长35m，桩尖高程-35.40m，中孔底板采用φ600mm钻孔灌注桩基础，间距2.3m，桩长13m，桩尖高程-13.90m。

2.2桩基沉降

根据《建筑桩基技术规范》[3]，桩基任一点最终沉降量可按下式计算：

式中，参数含义详见建筑桩基技术规范5.5节。

闸室、消力池均采用桩基础时，经计算闸室底板最终沉降量为20.29mm，消力池底板最终沉降量为11.57mm，即天然土基时闸室和消力池基础最终沉降量均能满足《水闸设计规范》[2]的要求。

3有限单元法计算桩基沉降量

根据水闸结构图和物理力学指标建立三维有限元模型[4]，将底板及上部结构全部转化为荷载加到地基上，考虑结构的对称性，取水闸的一半建立有限元弹性模型[5]见图3所示。

图3 有限元模型网格剖分图

为了更准确的模拟水闸地基沉降，反复试算发现当弹性模量取压缩模量的3.5倍时，水闸闸室和消力池底板的沉降和规范法计算的沉降量基本吻合，此时模型的竖向位移云图见图4所示。

图4 水闸竖向位移云图

由此可见，水闸整体沉降均控制在规范允许范围内，相邻结构没有明显的不均匀沉降，以此判定水闸桩基设计合理。

[参考文献]

[1]林继镛.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社,2009:300-301.

[2]中华人民共和国水利部. SL265-2001水闸设计规范. 北京:中国水利水电出版社，2000.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ 94-2008建筑桩基技术规范. 北京:中国建筑工业出版社，2008.

[4]彭成山,袁淮中,王甜.南水北调工程七里河水闸的三维有限元分析 [J].华北水利水电学院学报,2010,3 (6):31-35.

[5]费康,张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用 [M].北京：中国水利水电出版社,2010:62-65.