水工混凝土结构设计研究

水工建筑是指水利水电工程中受水的作用，通过控制和调节水流达到防治水灾，开发利用水资源的建筑物[1]。水工建筑物在设计的过程中受到外界条件的限制非常多，地形、气象、水文和地质等自然条件对选址、建筑物的选型、工程造价等有直接的影响[2]。根据建筑物的使用年限可以将水工建筑分为永久性和临时性两种。临时性水工建筑物是指仅在施工期间内发挥作用的建筑物比如：导流明渠、围堰等。永久性水工建筑物可以分为通用性水工建筑物和专门性水工建筑物两大类，具体的种类见表1[3-5]。

表1 永久性水工建筑物分类通用性水工建筑物挡水建筑物 各种坝、堤和海塘泄水建筑物 各种溢流坝、溢洪道、泄水隧洞、分洪闸进水建筑物 进水闸、深式进水口、水泵站输水建筑物 引供水隧洞、渠道及输水管道河道整治建筑物 丁坝、顺坝、护岸、导流堤专门性水工建筑物水力发电专用建筑物 前池、调压室、压力水管、水电站厂房灌溉和供水专用建筑物 节制闸、沉沙池、冲沙闸港口专用建筑物 防波堤、码头、船坞、船台过坝专用建筑物及设施 船闸、升船机、筏道及鱼道等

混凝土结构是由混凝土和钢筋等增强材料组成，可以分为：素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构。就设计方法而言，国标混凝土GB 以概率论为基础的极限状态设计，根据可靠度指标衡量混凝土结构的可靠度，使用分项系数的表达方式设计[6]。根据水工规范SL 191-2008的要求，对于可以得到截面内力的构件可采用极限状态设计法。由于有一些材料不能得到实测的数据和资料，无法体现概率意义上的荷载变异性，无法采用概率论为基础的极限状态设计法。

1 水闸结构计算

水闸是水工建筑的重要组成部分之一，水闸结构计算，主要包括渗流稳定分析、水闸地基稳定分析、闸室结构计算、翼墙结构计算、涵洞与圆管涵结构计算这5个部分[7]。

1.1 渗流稳定分析

对于小型水闸设计或在大中型水闸在工程规划和可行性研究阶段，闸基防渗长度可按《水闸设计规范》中的渗经系数法计算。大中型水闸设计需要按照《水闸设计规范》附录C中改进阻力系数法计算渗流稳定。考虑到实际工程的可操作性，以上两种方法在确定防渗段指定位置渗透压力的时候，需要采用直线比例法计算渗压水头，进一步验证闸室稳定、挡土墙稳定。

1.2 水闸地基稳定分析

水闸地基稳定分析包括：基底应力分析、地基处理、地基沉降计算3部分。（1）基底应力分析包括：地基稳定分析工况分析、挡土墙突降工况分析。（2）地基处理：在平原地区地基的处理一般选用水泥土深层搅拌桩法，该方法可以明显提高地基的承载力、减小沉降、增大抗震动液化能力，最大加固厚度约为0.3米。具有施工的成本低、速度快、污染小等优点。在设计单桩承载力时应充分考虑到桩体的强度与承载力相协调的问题。若地基下有卵石层，要使用高压旋喷桩地基处理。设计时，单桩承载力不要提太大，设计主要控制参数为复合地基承载力。地基处理注意褥垫层、人工凿除段、截渗墙处理。（3）地基沉降：计算包括压缩曲线和附加应力两方面。压缩曲线，当基地压力小于或接近于水闸地基位开挖前作用于该基底面上的自重力时，比如加固工程，土的压缩曲线最好采用e-P回弹再压缩曲线。对于扩大重建工程中软土地基上的水闸项目最好采用e-P压缩曲线。对于重要的大型工程可以采用e-lgP压缩曲线。附加应力，根据《水闸设计规范》矩形基础的长宽比小于10，条形基础的长宽比大于10，通过规范附表可以得到地基上计算点的附加应力系数，从而得到相应的附加应力。计算时应该注意的是，复合地基变形分为复合土层的变形和桩端以下的土层变形两部分。对于岩石、砾石、卵石、中砂、粗砂地基或大型水闸标准贯入击数大于15、中小型大于10的壤土及粘土地基不需要沉降计算的情况。

1.3 闸室结构计算

闸室结构计算，包含闸墩、闸底板结构计算、排架柱梁结构计算、排架墙结构计算、预制交通桥板结构计算、现浇交通桥板结构计算5个小项。闸墩结构设计一般采用材料力学允许应力法考虑：正常挡水期闸门全关、一孔检修、闸门全关遭遇地震这3种工况。闸底板计算方法主要包括：倒置梁法、反力直线法、弹性地基梁、涵洞式水闸结构算法等（见图1）。

图1 弹性地基梁计算步骤

1.4 翼墙结构计算

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