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）1p 、2p 、3p —水平水压力；zl p —波浪压力；G —底板重；1G —启闭机重；2G —工作桥及桥墩重；3G —胸墙重；4G —闸墩重；5G —闸门重；6G —交通桥重；1w G 、2w G —水重；b p —扬压力；fb p —浮托力；sb p —渗透压力；f F —地基反力；p h —波浪高度；z h —波浪中心线超出计算水位的高度；m L —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 265—2016《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Ⅶ度或大于Ⅶ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 203—97《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：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凝聚力。

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。

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c K ，应按下列两式之一进行计算，即[]c c f GK K H=≥∑∑ （7-33）[]00tan c c G C AK K Hφ+=≥∑∑ （7-34）式中：G ∑为铅直方向作用力的总和，kN ；H ∑为水平方向作用力的总和，kN ；f 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；[]c K 为土基上抗滑稳定安全系数的允许值，见表7-9；0φ为闸室基础底面与土质地基之间的摩擦角，(°)；0C 为闸室基底面与土质地基之间的黏结力，kPa ；A 为闸室计算段基底面的面积，m 2。

表 7-8 摩擦系数f 值表 7-9 土基上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的允许值［K c ］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0φ及0C 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0φ值及黏结力0C 值可根据土质地基类别按表7-10的规定采用。

采用0φ、0C 值时，应按公式（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0φ值和0C 值均应有论证。

对于特别重要的大型水闸工程，采用的0φ值和0C 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。

000tan G C AGfφ+=∑∑ （7-35）式中：f为闸室基底面与土质地基之间的综合摩擦系数。

表7-10 0φ、0C 值（土质地基）对于小型水闸，闸室底板两端往往采用相对较深齿墙，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c K '，应按式（7-33）或式（7-36）计算。

[]ccf G C AK K H''+''=≥∑∑ （7-36） 式中：f '为闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断摩擦系数；C '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f '值和C '值不应超过闸室基础混凝土本身的抗剪断参数值；[]c K '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f '、C '值表7-12 岩基上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的允许值[]cK '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：①调整闸门位置，或将底板向高水位一侧加长，以增加水重；②增加铺盖和板桩（或帷幕灌浆）的长度（或深度），或在不影响防渗安全的条件下，将排水设施向水闸底板靠近，以减小底板底部的渗透压力；③增加闸室底板的齿墙深度；④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；⑤增设钢筋混凝土抗滑桩或预应力锚固结构；⑥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f K 。

fV K U =∑∑（7-37）式中：V ∑为作用在闸室上所有向下的铅直力之和，kN ；U ∑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，f K ≥1.10；在特殊荷载组合条件下，f K ≥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max P 和最小值min P 可按偏心受压公式计算，即 max 2min6G M P bLbL =±∑∑ （7-38）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竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，力矩以顺时针为正，逆时针为负，kN·m ；b 为计算闸室段的宽度，m ；L 为底板长度，m 。

当结构布置及受力情况不对称时，可参阅SL 265—2016《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[]η。

规定的允许值[]η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 []η值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。