第一节 水工基础特点和设计要求

一、水工基础特点

（一）水工基础的两个显著特点

水工建筑地基基础设计与其他行业比较，有两个显著特点：

（1）地基计算除要满足承载力和变形外，还要满足渗流稳定计算。

（2）基础尺寸，一般是根据水工建筑物上、下部结构的长宽和构造需要确定，不是由地基承载力确定，因此，水工建筑物地基基础设计，实质上是一种已知基础尺寸下的验算。

水的作用使水工建筑的工作条件复杂化，基底的浮力和渗透压力不仅会降低建筑物的稳定性，而且还有可能由于物理和化学的作用而使基础受到破坏；水流对基础有冲刷和破坏作用；地震时，水对建筑物还将产生附加的地震动水压力，等等。这些都表明水工建筑地基基础设计不同于其他建筑。

地基和基础是建筑物的根本，又属于地下隐蔽工程，它的勘察、设计和施工质量关系着建筑物的安危。地基基础事故一旦发生，补救十分困难。因此，地基和基础在水利工程中的重要性是显而易见的。

（二）水工基础尺寸的确定

水工建筑的基础形式一般由下部结构或上部结构决定，很少完全由地基条件决定，这一点与其他行业的基础设计有所不同。水工基础形式大多为平板基础或块基型基础，平板基础通常也称为筏形基础。

水工基础尺寸和轮廓布置，都要和上部结构、下部结构一起研究同时决定，而不能孤立地进行；不是根据地基承载力计算基础尺寸，这一点与工业和民用建筑完全不同。一般情况下，水工建筑上、下部结构的长度和宽度要协调确定，下部结构确定后，基本上就确定了基础尺寸、形状和埋深，这是根据结构布置和构造需要确定的基础最小尺寸，满足了稳定计算后，再进行结构计算来验算基础尺寸，并根据需要作适当调整。

-水工建筑的基础是承受上部结构的重量及荷载，并向地基传递荷载的连接体；其大多数同时兼有防渗、防冲作用，防止地基由于受渗透水流作用可能产生的渗透变形，并保护地基免受水流的冲刷。因此，水工基础结构必须具有足够的整体性、坚固性、抗渗性和耐久性。为满足这些条件，所以水工基础通常都是采用钢筋混凝土结构。

例如，大型泵站的泵房设计中，基础尺寸主要由机组布置和流道尺寸确定，即流道长度确定基础宽度、机组间距确定基础长度。

基础垂直水流方向的长度，主要由机组布置确定。例如，主机组为一列式布置，当机组的中心距确定后，加上中墩和边墩厚度即可得出基础长度。基础顺水流方向的宽度，主要由流道的长度决定。为了保证进水和出水的水流顺畅，减小水头损失，根据已建工程和大量的装置试验，可以初步拟定流道的长度，并根据断流方式等合理布置进、出水流道的闸门；根据以上布置，可得出顺水流方向的宽度。

必须指出，主要由流道的长度确定的基础宽度，同时还应满足泵房稳定及防渗要求，若不满足则需要加长底板，或采用其他的工程措施。这样通过泵房平面布置，下部结构的平面尺寸也大致确定了，如图1.1-1（a）所示，从而也就确定了基础轮廓尺寸，如图1.1-1（b）所示。

（三）水工底板与其他板类构件的比较

在现行水利行业有关设计规范和文献中，水工建筑基础都统称为底板，如泵房底板、闸室底板、挡土墙底板等，其表明基础是建筑物底下的一块钢筋混凝土大板，这种大底板通常称为筏基或筏板基础。

水工建筑底板主要特征有两点：①底板是卧置于地基上的一块钢筋混凝土大板；②水工底板不同于一般的板，它有抗渗、抗冲刷、抗侵蚀、抗冻、耐磨等要求，其强度要求则往往不是很高，厚度一般由构造要求决定。

水工底板与其他板类构件比较，特点明显，以下予以分析和比较，有利于加深理解，掌握其个性。

1.与普通钢筋混凝土板的不同点

水工建筑基础多为厚板结构，是厚度较大的钢筋混凝土大板，与水泵层或电机层楼板、屋面板等普通钢筋混凝土板相比，有以下诸多不同：

（1）普通钢筋混凝土板厚度较薄，一般不大于200mm；水工底板厚度较大，一般不小于700mm。

（2）普通钢筋混凝土板，当采用塑性设计时，一般可以不进行挠度、裂缝宽度验算；水工底板，当采用塑性计算时，应同时验算裂缝开展宽度。

混凝土结构规范指出，按考虑塑性内力重分布的分析方法设计的结构和构件，尚应满足正常使用极限状态的要求或采取有效的构造措施。对于直接承受动力荷载的构件，以及要求不出现裂缝或处于侵蚀环境等情况下的结构，不应采用考虑塑性内力重分布的分析方法。

（3）普通钢筋混凝土板可按延性设计，水工底板不宜按延性设计。

（4）抗震设防时，普通钢筋混凝土板应按抗震构造配筋；水工底板可按非抗震构造配筋。

2.与房屋建筑筏基的不同点

水工底板与房屋建筑中的筏形基础相比较，旨在加深读者对筏基的理解和知识面的拓展。同时，通过不同行业的对比分析，进一步理解和掌握水工结构中筏形基础的特点。

（1）房屋建筑的筏基需要抗弯、抗剪、抗冲切计算；水工底板不需要进行抗剪、抗冲切计算。

（2）在非地震区，房屋建筑筏基底面应不出现零应力区，而在地震区基底面可以有零应力区，但不应超过基础底面面积的25%。土基上，各种荷载组合情况下，水工基础底板底面都不允许出现零应力区；岩基上，水工基础底板底面可以出现零应力区，但最小应力不应小于-100kPa。

（3）房屋建筑筏基是采用偏心距e来控制倾斜，要求e≤0.1W/A，W为与偏心距方向一致的基础底面边缘抵抗矩，A为基础底面积。

水工底板基底是采用应力比（不均匀系数）来控制不均匀沉降，要求η=p_max/p_min≤［η］，p_max和p_min分别表示基础边缘处基底反力的最大值和最小值；不均匀系数的控制，实质上也是保证基础不致过分倾斜。

3.水工板类构件分类和综合比较

a.水工板类构件分类

在水工建筑中，板类构件应用较多，板的厚度变化范围也很大，薄的仅为10cm左右，厚的则可达几米。为便于分析比较和应用，经综合归纳后可作以下分类。

（1）薄板。薄板常用于水工建筑上、下部结构中，如电机层、水泵层的楼板，但因需要承受撞击荷载，为了保证刚度和耐久性要求，板的厚常为12～20cm，一般取板厚h=（1/12～1/18）l，l为板跨。而一般房屋建筑中的板，如泵站工程中管理楼的楼板、泵房的屋面板等，厚度通常为6～12cm，板厚一般为h=（1/12～1/50）l。通常所说的钢筋混凝土板是指薄板。

（2）深板。l₀/h≤5的板为深板，深板与深梁类似，都是深受弯构件。l₀为构件计算跨度，可取l₀=l_c，l₀=1.15l_n两者中的较小值。深板在水工建筑的水下部分有所应用，如水电站的尾水平台、泵房流道顶板等。

深板与深梁受力状态类似，因其高度与跨度接近，受力性能与一般梁有较大差异，在荷载作用下，梁的正截面应变不符合平截面假定。简支深梁的内力计算与一般梁相同。但连续深梁的弯矩及剪力与一般连续梁不同，其跨中正弯矩比一般连续梁偏大，支座负弯矩则偏小，且随跨高比及跨数的不同而变化。深梁是较复杂的构件，应遵守钢筋混凝土设计规范的有关要求。

（3）厚板。介于薄板和深板之间的板为厚板。水工厚板应用较多，如泵房和闸室的筏基、船闸闸室底板等，一般厚度h≥l₀/6（l₀为计算跨度），且大于最小构造厚度700mm的底板为厚板。这样划分与刚性基础的要求一致，也有要求h&gt；l₀/5的为厚板。在房屋建筑中，筏形基础也为厚板，最小厚度要求为400mm。

b.板类构件综合比较

综上所述，水工筏基与房屋建筑筏基和其他板类构件相比较，有诸多不同点。此外，在确定板的厚度、强度计算等方面也有所不同；为了更清楚地表达，经综合归纳后列于表1.1-1中。

二、水工基础设计基本要求

（一）水工建筑对地基基础的设计要求

1.基本设计要求

水工地基基础设计与计算应满足承载能力极限状态和正常使用极限状态，其基本设计要求如下：

（1）基础应有足够的强度和刚度，能够承受上部结构所传递的应力。

（2）地基应具有足够的强度和稳定性。各级建筑物地基均应进行承载力计算，都应进行稳定性验算，以保证地基的安全。

（3）地基应满足变形方面的要求。水工建筑物应按地基变形设计，应做变形验算，以保证水工建筑不因地基沉降而影响正常使用。

（4）地基应具有足够的抗渗性，以免发生严重的渗漏和渗透破坏。

（5）基础应具有足够的耐久性，以防在环境水的长期作用下发生侵蚀破坏。

2.选择合适的地基是前提

地基和基础的设计往往不能截然划分，正确的基础设计必须建立在合理的地基评价基础上。“地基”、“基础”在英语中用同一名词——“Foundation”，这也反映了两者的不可分割性。

我国地域辽阔，由于自然地理环境的不同，分布着各种各样的土类。某些土类作为地基，如湿陷性黄土、软土、膨胀土、红黏土、冻土以及山区地基等，具有各自的特殊性质，而必须针对其特性采取相应的工程措施。因此，地基基础问题具有明显的区域性特征。

a.地基基础相互关联性

进行地基基础设计时，必须根据建筑物的用途和设计等级、建筑布置和上部结构类型，充分考虑建筑场地和地基岩土条件，结合施工条件以及工期、造价等各方面的要求，合理选择地基基础方案。

建筑物的全部荷载都由基础下面的土层来承担，受建筑物影响的那一部分土层称为地基，如图1.1-2所示。未经人工处理就能满足设计要求的地基称为天然地基，需要对地基进行加固处理才能满足设计要求的地基称为人工地基。

地基与基础是联系在一起、互为影响的。在确定基础形式前，应首先选择合适的地基形式。一般而言，天然地基如能满足地基的强度和变形要求，应优先选用。当天然地基的承载力及变形，其中有一项或两项同时不能满足设计要求时，可考虑采用地基处理或局部进行地基处理，以满足设计要求。当地基处理仍然不能满足承载力或者变形要求时，可考虑采用深基础，如桩基。

b.初选天然地基的条件

地基应优先选用天然地基。在土质地基上，水工地基可以按标准贯入试验初选，但以下两类地基不得作为天然地基：①标准贯入击数不大于4击的黏性土地基；②标准贯入击数不大于8击的砂性土地基。

上述两类地基为松软地基，其抗剪强度均较低，地基允许承载力和变形均难以满足要求。特别是标准贯入击数不大于4击的黏性土地基，如软弱黏性土地基、淤泥质土地基、淤泥地基等，这类地基土的工程特性为含水量较高、孔隙比较大、抗剪强度很低、压缩性较高、透水性很弱。通常会产生相当大的地基沉降和不均匀沉降。

同样，标准贯入击数不大于8击的砂性土地基，如疏松的粉砂、细砂地基或疏松的砂壤土地基等，地基允许承载力和变形也难以满足要求，均不得作为天然地基。对于上述这两类地基，应采取工程措施进行地基处理。

当地基岩土的各项物理力学性能指标较差，且工程结构又难以协调适应时，可采用人工地基。当黏性土地基贯入击数大于5、砂性土地基贯入击数大于8时，则地基可以不做处理。

c.选择地基的大致顺序

地基基础的各种方案中有多种类型和做法，工程设计时，应根据实际情况加以选择。一般情况下，采用不同的地基形式，其地基基础总费用，由小到大的大致顺序为天然地基→人工地基→桩基（深基础）；在这些地基方案中，又各有多种基础类型，如桩基有桩筏基础、桩箱基础，筏基有平筏基础、梁筏基础等。为了比较清楚地表达上述内容，特以框图加以概括归纳，如图1.1-3所示。

（二）基础设计步骤

前面已经阐述，水工建筑的基础形式和尺寸，一般由下部结构或上部结构决定，根据上、下部结构的布置，初步拟定基础尺寸，进行稳定性计算，再通过结构计算最后确定基础尺寸。

基础构件的尺寸，既要保证基底应力满足地基承载力的要求，又要将沉降控制在允许的范围之内；同时，构件还应满足强度的设计要求。

一般情况下，水工建筑上、下部结构的长度和宽度应首先协调确定，下部结构确定后，基本上就确定了基础尺寸、形状和埋深，但这是根据结构布置和构造需要确定的基础最小尺寸，最后还需要进行结构计算来验算初步拟定的基础尺寸。

1.基础设计步骤分解

天然地基上，水工基础设计可按下列步骤进行：

（1）选择基础的材料、类型和平面布置。

（2）选择基础的埋置深度。

（3）确定地基允许承载力。

（4）确定基础的底面积和底面尺寸。

（5）必要时进行地基变形验算。

（6）基础结构设计（包括内力计算、基础高度确定、基础配筋计算和构造要求等）。

（7）基础施工图绘制（包括施工说明）。

上述设计步骤是相互关联的，通常可按顺序逐项进行。当后面的计算出现不能满足设计要求的情况（包括构造要求）时，应返回前面（1）、（2）步骤，重新作出选择后再进行设计计算，直至完全满足规范要求为止。对大、中型工程的基础设计，还应对若干可能的方案作出技术经济比较，然后择优采用。

2.基础设计要考虑的问题

基础设计一般要妥善处理下列几方面问题。

（1）充分掌握拟建场地的工程地质条件和地基勘察资料，如不良地质现象和发震断层的存在及其危害性、地基土层分布的均匀性和软弱下卧层的位置和厚度、各层土的类别及其工程特性指标。地基勘察的详细程度应与建筑物的安全等级和场地的工程地质条件相适应。

（2）了解当地的建筑经验、施工条件和就地取材的可能性，并结合实际考虑采用先进的施工技术和经济、可行的地基处理方法。

（3）在研究地基勘察资料的基础上，结合上部结构的类型、荷载的性质、大小和分布、建筑布置和使用要求，以及拟建的基础对相邻或原有建筑及设施的影响，从而考虑选择基础类型和平面布置方案，并确定地基持力层和基础埋置深度。

（4）按结构布置确定基础底面尺寸，或按地基承载力确定基础底面尺寸时，都需进行必要的地基稳定性和变形验算，以便地基的稳定性能得到充分的保证，使地基的变形不致引起结构损坏、建筑物倾斜与开裂，或影响其使用和外观。

（5）采用简化的或考虑相互作用的计算方法，进行基础结构的内力分析和截面设计，以保证基础具有足够的强度、刚度和耐久性。最后绘制施工详图并作出施工说明。

不难看出，上述各方面内容是密切关联、相互制约的，未必能一次考虑周详。因此，地基基础设计工作往往要反复进行才能取得满意的结果。

必须强调的是，地基基础问题的解决，不宜单纯着眼于地基基础本身，按常规设计时，更应把地基、基础与上部结构视为一个统一的整体，从三者共同作用的概念出发，来考虑地基基础方案。尤其是当地基比较复杂时，如果能从上部结构入手，配合采取适当的建筑、结构、施工等不同措施，往往可以收到合理、经济的效果。共同作用将在第九章进一步讨论。

（三）基础设计主要技术措施

基础设计时，具体的技术措施都是随工程总体布置、上下部结构设计相伴而生，贯穿于整个设计过程。例如，泵站工程是采用堤身式还是堤后式，对基础影响很大，相应就需要采取不同的技术措施；但就单个工程而言，基础设计主要有以下主要技术措施可供采用。

1.调整基础尺寸满足稳定性要求

水工建筑物的稳定性分析计算，是一项烦琐而又十分重要的工作，在满足稳定性要求后，才能进行各部位的结构计算，稳定性计算过程中，有时往往要对基础尺寸调整数次方能满足要求。在进行基础尺寸调整时，可以采用以下两种方法：

（1）根据建筑物使用要求和地质条件选定基础的埋深后，为了避免基础发生太大倾斜和改善基础受力状况，在决定平面尺寸时，可以通过改变底板在上下游的长度来调整基底形心，一般加长最大应力侧的底板长度，使其尽量与结构长期作用的竖向荷载合力作用点重合，以减少基底截面所受的偏心力矩，避免过大的不均匀沉降。

基础在上部荷载大小不变的情况下，偏心距越大，则基底应力不均匀系数越大，相应的沉降差也会越大；如图1.1-4所示，若e₂&gt；e₁，则p_2max&gt；p_1max；当基底最大应力不满足地基承载力要求，或应力不均匀系数超过允许值时，可采用调整基础尺寸、减小偏心距等措施。

（2）通过建筑物下部结构的调整，可改善水工建筑物基础及地基的应力状态。例如，为了使泵房在各种荷载组合作用下均能达到自身稳定，首先必须要做到泵房的本身荷载应尽量对称，防止其偏心距过大，否则难以调整。如果在设计中发现不能满足要求，则可以针对具体情况采取以下技术措施：

1）将底板向进水侧或出水侧方向延长，利用改变基础宽度的办法调整偏心程度。

2）用减轻（如挖空）或增加（填沙或充水）某一侧及某一部位重量的方法，使地基应力分布尽量均匀，满足应力比的要求，如图1.1-5所示。

2.增设齿墙加强抗滑抗渗

水工建筑在整体稳定或防渗不满足要求的情况下，可采取下述措施。

（1）改变底板的底部形状，如做成齿墙状或板状，或者根据需要将部分底板做成向进水侧或出水侧倾斜，以达到降低进口或出口处挡土墙高度，对水工建筑的稳定有利；如采用底板齿墙前深后浅，以提高抗滑稳定性。

（2）地基进行必要的处理，如换砂基或打板桩及加做阻滑板等。

水工建筑采取上述措施后，都会不同程度地改变垂直力或水平力的数值，所以必须重新校核水工建筑的抗滑稳定性。例如，采用增加齿墙深度时，如图1.1-6所示，齿墙的滑动面可取为齿墙底部连同墙间土体沿齿墙底滑动，抗滑安全系数为

式中 ∑G——作用在建筑物上全部垂直于基底面的荷载，kN；

∑H——作用在建筑物上的全部水平荷载，kN；

B——基底面的计算宽度，m；

φ₀——基础底面与土基间的摩擦角，（°），黏性土φ₀=0.94，砂性土c₀=（0.85～0.9）φ；

c₀——基础底面与土基间的黏聚力，kPa，黏性土c₀=（0.2～0.3）c。

从式（1.1-1）可以看出，β&gt；0时，沿斜平面的K_c值将大于水平面的K_c值，这说明改变齿墙深浅可以增加抗滑稳定性。抗滑稳定性计算将在第二章中论述，这里仅作简单分析，旨在引导设计人员重视设计概念，提高综合应用能力。