水闸地基设计中相关处理方法研究

2022-09-10

水闸是一种既能挡水, 又能泄水的低水头水工建筑物, 它依靠可以升降的闸门来控制水位, 调节流量, 在防洪、灌溉、排水、航运、发电等水利工程中得到十分广泛的应用。水闸一般可分为节制闸、进水闸、分水闸、排水闸、冲砂闸, 不同的水闸其功能不同, 在很多情况下, 为满足水利工程的需要, 多种类型的水闸可以一起应用于同一水利枢纽中。

水闸一般由闸室、防渗排水设施、消能防冲设施及两岸连接建筑物四个部分组成, 闸室是水闸挡水和控制过闸水流的主体部分, 它包括底板、闸墩、闸门、胸墙和工作桥。防渗排水设施是为了使闸基渗流处于安全工况而设置的, 防渗设施通常多在水闸的高水位一侧, 用透水性小的材料如粘土、钢筋混凝土等筑成水平防渗铺盖, 或用板桩形成垂直防渗幕, 借以增长闸基的渗流途径, 减小作用于闸底的渗透压力, 消除闸基产生渗透变形的可能性;在靠近闸室低水位一侧, 设置排水设备, 使进入闸基的渗水迅速排走, 减小闸基的渗透压力, 防止渗水逸出处地基发生渗透变形。消能防冲设施用以消除过闸水流的动能, 减缓水流速度, 防止水流对河底和岸坡的冲刷, 它主要由护坦和海漫等部分组成。两岸连接建筑物是由岸墙 (或闸室边墩) 和上下游翼墙组成, 其作用是挡土和导流, 防止水流对堤岸的冲刷, 使水流进出闸孔有良好的收缩和扩散条件。

1 水闸地基处理方法

水闸地基处理的方法很多, 它们主要用于以下三个方面: (1) 增加地基的承载能力, 保证建筑物的稳定; (2) 消除或减少地基的有害沉降; (3) 防止地基渗透变形。

国外对于水闸地基处理的方法也很多, 使用较多的主要有以下几种:置换法、排水固结法、灌入固化物法、振密或挤密法、加筋法和桩基法等。置换法根据置换材料不同可分为换土垫层法、挤淤置换法、强夯置换法、振动水冲法、砂石桩法、石灰桩法等;排水固结法主要有加载预压法、超载预压法和真空预压法等;灌入固化物法主要有深层搅拌法、旋喷桩法和水泥粉煤灰碎石桩法 (CFG桩法) ;振密或挤密法主要有强夯法、挤密砂石桩法和夯实水泥土桩法;加筋法主要有低强度混凝土桩复合地基法和钢筋混凝士桩复合地基法;桩基法主要有木桩法、预制管桩法、钻孔桩法。目前国内在增加水闸地基承载能力和减少地基有害沉降的处理方法方面最常用的是垫层法、砂井预压法、灌浆法和桩基法, 加载预压法、超载预压法和真空预压法因所需工作面广和预压时间长, 目前使用较少, 强夯置换法、振动水冲法因实践经验比较少, 现正处在探索过程中。

水闸地基处理方法很多, 但每种方法都有一定的适用条件和局限性, 不存在一个万能的解决方案。这里主要介绍桩基法。

桩基法是常用于竖向荷载大而集中或受大面积地面荷载影响的结构以及沉降方面有较高要求的建筑物和精密设备的基础, 桩基能有效地承受一定的水平荷载和上拔力。

桩基法属于水闸深基础处理。其施工技术和工艺较浅基础复杂, 造价高, 但适应范围广, 计算理论成熟, 所以在水闸地基处理中经常使用桩基础。

桩基法是常用于竖向荷载大而集中或受大面积地面荷载影响的结构以及沉降方面有较高要求的建筑物和精密设备的基础, 桩基能有效地承受一定的水平荷载和上拔力。桩基按施工方法可分为预制桩和灌注桩两大类, 在水闸地基处理中经常使用桩基础。

根据《水闸设计规范》 (SL265-2001) , 桩基础设计应满足下列规定。

(1) 水闸桩基础通常宜采用摩擦型桩 (包括摩擦桩和端承摩擦桩) 。

(2) 桩的根数和尺寸宜按承担底板底面以上的全部荷载确定, 对于摩擦型桩, 经论证后可适当考虑桩间土承担部分荷载。

(3) 预制桩的中心距不应小于3倍桩径或边长, 钻孔灌注桩的中心距不应小于2.5倍的桩径。

(4) 桩的平面布置宜使桩群形心与底板底面以上基本荷载组合的合力作用点相接近, 单桩的竖向荷载最大值与最小值之比不宜大于如下规定的允许值。

(1) 松软土质:1.5 (基本组合) , 2.0 (特殊组合) 。

(2) 中等坚实土质:2.0 (基本组合) , 2.5 (特殊组合) 。

(3) 坚实土质:2.0 (基本组合) , 3.0 (特殊组合) 。

(5) 在同一块底板下, 不应采用直径、长度相差过大的摩擦型桩, 也不应同时采用摩擦型桩和端承型桩。

(6) 当防渗段底板下采用端承桩时, 应采取防止底板底面接触冲刷的措施。

2 水闸消能防冲方法设计研究

水闸消能防冲工程设计包括计算工况和消能防冲设施形式的选择, 消力池 (深度、长度、底板厚度) 、海漫长度, 河床冲刷深度计算和跌坎计算消力池 (深度、长度、底板厚度) 、海漫长度、河床冲刷深度计算和跌坎计算在很多专著中均有较为明确实用的计算方法。但如何准确选择计算工况, 如何选取消能防冲设施等方面论述得不多, 同时很多水闸因计算工况的不准确导致工程设计标准偏低, 消能防冲设施形式选择不当导致消能防冲设施经常冲坏。

一般来说, 水闸消能防冲设计的控制工况是:保持闸上最高蓄水位, 宣泄上游多余水量, 下游水位取下限值。此种工况下闸门的初始开启度, 往往是消力池深度计算的控制因素。但闸上最高蓄水位是多大?闸下水位下限值又是多小?闸门的初始开启度是多少?对于某类水闸来说值得深入探讨。由于人类活动加剧, 气候环境变迁, 使得水文规律发生了巨大的变化, 有些认为不可能的设计工况, 在水闸运行一、二十年后出现。针对已建较多水闸出现的问题, 在选择水闸闸上最高蓄水位、最低水位时要考虑以下两因素——水文条件的变迁和河道地形的变迁。

2.1 水文条件的变迁

(1) 河网区联围筑闸改变了原来河网分流条件, 使主河道水位雍高。 (2) 河道滩地的码头、工厂、道路以及众多的占用河道断面的桥墩, 这些设施除了束窄了行洪断面外, 还改变了河道原来的天然状况, 改变了水流的边界条件, 加大了糙率, 因而雍高水位。

由于上述原因, 使得有些水闸经常出现高于设计洪水位的水位, 这些不仅对水闸的安全运行提出新的要求, 而且对当地的水利规划、设计和建设提出了新的要求。

2.2 河道地形的变迁

一般来说, 天然河道随季节的变化其来水量在变化, 其含砂量也在变化, 河床总是时冲时淤, 处于动态平衡状态。若河道上游筑水库, 则拦截了洪水, 削平了洪峰, 亦拦截了泥砂。洪峰值少, 夹带泥砂少, 改变了天然的动态平衡状态, 河道筑闸后, 加剧了这种不平衡状态。

由于水闸消能防冲设计的控制工况是:保持闸上最高蓄水位, 宣泄上游多余来水量, 下游水位取下限值, 所以由于下游河床不断降低, 下游水位低值也随之降低, 随河道变迁出现的新低水位低于原设计工况的下限低值, 原控制条件就不能适应变化了的河床, 消能防冲效果必然差, 很多水闸经常发生护坦或海漫被冲坏的情况。