水闸闸室的稳定分析和地基处理

水闸闸室的稳定分析和地基处理等荷载作用，有可能沿着地基面滑动〔通常称为表层滑动，还可能连同一局部地基土体滑动〔通常称为深层滑动。闸室竣工时，一般地，闸室地基外表所受在各种状况下闸室均能安全牢靠地运用。荷载计算及组合荷载计算7种〔744。自重桥、闸门及启闭设备等的重力。水重水重指闸室范围内作用在底板上面的水体重力。水平水压力铺盖时〔745，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〔图7-457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图名一样〕pp1 2

p—p3

—波浪压力；G—底板重；G1

—启闭机重；G2

—工作桥及桥墩重；G3

—胸墙重；G4

—闸墩重；G5

—闸门重；G6

—交通桥重；G 、Gw1 w2

—水重；pb

—pfb

—Ff

—hp

—h—波z浪中心线超出计算水位的高度；L —波浪长度m图7-45 闸室上游水平水压力计算图〔单位：m〕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状况。对于黏土铺盖〔744ab点〔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。值相差较小，可略而不计。扬压力扬压力指作用于闸底面铅直向上的渗透压力与浮托力的总和。波浪压力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SL203—97淤沙压力淤沙压力可按第一章介绍的方法计算。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、分布及机遇状况是常常变化的，因此，验算闸室稳定应依据水闸不同的工作状况和荷载机遇状况，根本组合7-7。特别组合47-7。表7-7 荷载组合表荷 荷载扬土扬土风浪冰土的压淤沙压压压压冻胀力压力力√力力力力组 状况 自水静水合 重重压力

地震其作用他

说明必要时，可考虑地下水完建 √√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√基本情 设计洪况 水位冰冻施工

√产生的扬压力按正常蓄水位组合计算水重、静水压力、扬压力及浪压力按设计洪水位组合计算水重、静水压力、扬压力及浪压力按正常蓄水位组合计算水重、静水压力、扬压力及冰压力应考虑施工过程中各个阶段的临时荷载检修特殊情力及浪压力按正常蓄水位组合计算地震力及浪压力按正常蓄水位组合计算地震√√√√√√√√√水重、静水压力、扬压力及浪压力

√ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √

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、扬压力及浪压力按校核洪水位组合计算水重、静水压力、扬压表层抗滑稳定计算闸室即沿地基表层滑动。此时可将作用力归纳为两类：①滑动力，主要是水平向的水压力；②抗滑力，主要是底板与地基接触面上的摩擦力和分散力。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。孔闸段和中孔闸段分别作为计算单元。与地基的接触面。土基上沿闸室基底的抗滑稳定安全系数K，应按以下两式之c一进展计算，即KcH

Kc

〔7-33〕tanGCA K 0c H

0 Kc

〔7-34〕式中 G为铅直方向作用力的总和k H为水平方向作用力的总和k；f7-8，对于大型水闸，应作现场地c

许值，见表7-9；0为闸室根底底面与土质地基之间的摩擦角，(°)；C0为闸室基m2。地基类别f地基类别f表7-8 摩擦系数地基类别f地基类别f脆弱0.20～0.25砾石、卵石0.50～0.55黏土中等坚硬0.25～0.35碎石土0.40～0.50坚硬0.35～0.45极软0.40～0.45壤土、粉质壤土0.25～0.40软质岩石软0.45～0.55砂壤土、粉砂土0.35～0.40较软0.55～0.60细砂、极细砂0.40～0.45硬质岩石较坚硬0.60～0.65中砂、粗砂0.45～0.50坚硬0.65～0.70砂砾石0.40～0.50水闸级别备注荷载组合1234、51.特别组合Ⅰ适用于施工状况、水闸级别备注荷载组合1234、51.特别组合Ⅰ适用于施工状况、基本组合1.351.301.251.20检修状况及校核洪水位状况。Ⅰ1.201.151.101.05特别组合2.特别组合Ⅱ适用于地震状况Ⅱ 1.10 1.05 1.05 1.00的及C0 0

值的选取，随不同的地基状况而异。闸室基底面与土质地基之间摩擦角0

值及黏结力C0

值可依据土质地基类别7-10的规定承受。承受0

、C值时，应按公式〔7-35〕折算闸室基底面与00.45，0.50，承受的0

值和C0

值均应有论证。对于特别重要的大型水闸工程，承受的0

值和C0

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。ftanGCAf 0 00 G

〔7-35〕f

为闸室基底面与土质地基之间的综合摩擦系数。0表7-10 0

、C值〔土质地基〕0土质地基类别土质地基类别 值0C 值0黏性土0.9〔0.2～0.3〕C砂性土〔0.85～0.9〕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〔°；C为室内饱和固结快剪试验测得的黏结力，kPa。对于小型水闸，闸室底板两端往往承受相对较深齿墙，此时需沿着两齿墙也要考虑两齿墙外侧的土压力。cKfGCAK 〔7-36〕c H cfC为闸室基底面与闸Kc7-12。表7-11 岩石地基f、C值岩石地基类别岩石地基类别fC〔MPa〕岩石地基类别fC〔MPa〕硬质坚硬1.5～1.31.5～1.3较软1.1～0.91.1～0.7软质岩石较坚硬1.3～1.11.3～1.1软0.9～0.70.7～0.3岩石极软0.7～0.40.3～0.05表7-12 岩基上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的允许值Kc荷载组合

按式〔7-33〕计算

〔7-36〕计算

备注1.特别组合Ⅰ适用于施1 2、3

工状况、检修状况及校核基本组合1.101.081.053.00洪水位状况。特别Ⅰ1.051.031.002.502.特别组合Ⅱ适用于地组合Ⅱ1.002.30震状况加水重；②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〔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混凝土抗滑桩或预应力锚固构造；⑥适当增大闸室构造尺寸。全性和经济性，这种抗滑措施在工程中很少承受。进展检修时，应按下式计算闸室抗浮稳定安全系数K 。fVKfU

〔7-37〕V为作用在闸室上全部向下的铅直力之和，kNU为作用在闸室基底面上的扬压力，kN。Kf

≥1.10Kf

。地基稳定和闸室沉降的验算〔特别是铅直荷载除验算闸室的表层抗滑稳定性外，还必需验算地基的稳定性。基底应力Pmax

Pmin

可按偏心受压公式计算，即GP

6M

〔7-38〕maxmin

bL bL2式中：G为作用在闸室上的全部竖向荷载，kN；M为作用在闸室上的全部正，逆时针为负，kN·mb为计算闸室段的宽度，mL为底板长度，m。SL265—20231.2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。对100kPa。表7-13 值荷载组合备注地基土质基本特殊1.松软1.52.0当减小中等坚实2.02.52.3.对于地基特别坚实或可压缩土层甚薄的水闸坚实2.53.0受本表的规定限制，但要求闸室基底不消灭拉应力载特点的圆弧滑动法或折线滑动法进展深层稳定验算。闸室沉降由于土基压缩变形大，简洁引起较大的沉降，而过大的沉降差，将引起闸室进度，或进展适当的地基处理。对卵砾石和中、粗砂地基可不进展地基沉降计算。2m，计算深度依据实践阅历，通常计算到附加应力与土体自重应0.1～0.2处，软土地基取小值，坚实地基取大值。假设将计算土层分为n层，每层的沉降量为S，则总的沉降量应为iSnmS

e ehm 1i 2ih

〔7-39〕i i ii1 i1

1e i1i式中：S为土质地基最终沉降量，mn为土质地基压缩层计算深度范围内的土1i 2i

分别为根底底面以下第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；h为根底底面以下第i层土i的厚度，mm为第i层地基沉降量修正系数，可承受1.0～1.6，坚实地基取较i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15cm5cm。当超过上述允许值，可承受以下一种或几小竣工后的沉降量。地基沉降与时间的关系比较简单，与土层的厚度、压缩性、渗透性、排水条而对黏性土地基，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。地基处理5、砂性土地基的贯入击数大8时，可直接在自然地基上建闸，不需进展处理。此时需要进展地基处理，下面简述几种常用的地基处理方法。质土等位于基面四周，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，可承受换土垫层法处理，将质土等位于基面四周，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，可承受换土垫层法处理，将表层软土挖除，换以砂性土，水77-46〔57-43图名相同〕7-46所示。砂垫层的主要作用是：①通过固结。垫层设计主要是确定垫层厚度、宽度及所用材料。垫层厚度h应依据土质状况1.5～3.0m。垫层的宽度B，通常选用建筑物基底应力集中至垫层底面的宽度再加2～3m20°～25°；对中砂、粗砂，可取30°～35°。换土垫层材料应满足压缩小、强度较大及施工便利加速软土层的固结过程。但由于砂土透水性大，必需实行防渗措施。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承受强力夯实法。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。夯实工作前选择试点通过现场试验确定。振冲桩法该法承受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〔或碎石，〔或碎石〕桩。这种方法不仅可以提砂、砂壤土或砂卵石地基。振冲砂〔或碎石〕桩的孔径一般为0.6～0.8m，桩距1.5～2.5m，呈梅花形或〔或碎石〕桩可穿过土层，其填料宜承受级配良好的砂、碎石等。碎石最大粒径不宜大于5%。桩根底灰碎石桩根底。钢筋混凝土桩〔简称预应力管桩〕和预制钢筋混凝土管桩。依据打〔沉〕桩方法锤击沉桩法和静力压桩法应用最为普遍。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。水泥土搅拌桩硬化机理不同，由于水泥掺量少，水泥是在具有肯定活性介质--土的围绕下进展又发生离子交换和团粒化作用以及凝硬反响，使水泥土土体强度大大提高。旋喷桩土、黄土、素填土和碎石土等地基。水泥粉煤灰碎石桩C15~C25之间变化，是介于刚计。依据上面几种桩〔根底〕的受力特性