关于水位自记井稳定性设计的分析计算

李 闯

(大兴安岭水文局，黑龙江加格达奇165000)

1 前言

现今，水位自记井广泛应用于水位观测工作中，但由于其普遍位于江河湖泊岸边，受河道的自然地质条件和冰排等外在因素影响，未经稳定性验算的水位自记井，容易出现倾斜、沉降量过大等现象，导致最终无法使用。为保证水位自记井的稳定性，在其设计过程中，进行抗倾覆及地基承载力的稳定性验算是十分必要的。

2 稳定性验算

某水位自记井位于黑龙江沿岸，布置形式为岛式，以其为算例，进行抗倾覆及地基承载力的稳定性验算。

2.1 永久荷载计算

该水位自记井为钢筋混凝土结构，主要永久荷载为自重。按照GB50009－2001附录A的规定，其中钢筋混凝土容重取24 kN/m。根据水位自记井工程量计算，总体积为38 m3，最后得总自重荷载G为912 kN/m2。

2.2 雪荷载计算

式中:Sk为雪荷载标准值，kN/m2;Ur为平台平面积雪分布系数，根据GB50009－2001第6.2.1条规定采用为0.11;So为基本雪压，平台屋面的基本雪压按GB50009－2001附表D.4给出的50 a一遇的雪压，采用为0.45 kN/m2。

根据平台设计方案，平台面积为10.53 m2，平台屋顶面积为22.30 m2。经计算作用在平台上的雪荷载标准值Sk为1.95 kN/m2。

2.3 风荷载计算

式中:ωk为风荷载标准值，kN/m2;βz为 Z高度处的风振系数，通过公式βz=1+ξνφz/uz求得2.2;us为风荷载体型系数，按GB50009－2001第7.3.1规定取1.2;uz为风压高度变化系数，取1.52;ωo为基本风压;按规范GB50009－2001给出的50 a一遇的风压采用0.5 kN/m2。经计算作用在平台上的风荷载ωk为2.00 kN/m2。

2.4 最大冲击荷载(冰排)

式中:po为水冲击荷载标准值，kN;Kw为水阻力系数;根据该水位自记井形式取0.8;ρ为水的密度系数，淡水取1.0;Vo为台身或桥墩处最大水面流速，取5 m/s;F为台身或桥墩每米高度的阻水面积，取1.5，m2;h为测井出土面至水面的高度。取3 m，水面高度取冰排高度。经计算作用在平台上的最大水冲击荷载为36 kN/m2。

由于该水位自记井位于黑龙江上游段，易受冰排撞击，因此对冰排产生的最大撞击荷载可用上式水冲击荷载Po乘以综合工作条件系数ζ确定，本次系数ζ取5.0。

即冰排产生的最大冲击荷载值为Po×ζ=180 kN/m2。

2.5 地震荷载

按照地震基本烈度为6度进行计算，公式为:

式中:FEK为水平地震作用标准值，kN;α为地震影响系数，取0.04;G为平台重力荷载，kN。经计算水平地震作用标准值FEK为36.48 kN。

2.6 被动土压力荷载

由于水位自记井深埋地下，受冰排撞击时，相应产生反向的作用力，即被动土压力。根据该水位自记井实际地形及地质条件，按下述公式计算:

式中:γ为土容重，按砂石土，取值为18 kN/m3;Hk为水位自记平台埋深，8 m;Kp为被动土压力系数，填土的性质指标为c经计算，被动土压力荷载Pp为2649.6 kN/m。

2.7 抗倾覆验算

对于该水位自记井，其稳定安全系数应满足:

式中:K稳为抗倾覆安全系数;M稳为稳定力矩;M倾为倾覆力矩。

本次稳定系数演算采用的荷载组合包括永久荷载G;风荷载ωk;水撞击力荷载PO;地震荷载FEK。

M稳=G×井底半宽B/2+被动土压力Pp×土下埋深hk/3=8160 kN·m

M倾=ωk×井高H+PO×冰排最大高度至井底高度差Hb+地震水平荷载FEK×井底宽B=2060.3 kN·m

∴符合抗倾覆稳定性要求。

2.8 地基承载力验算

仅考虑轴心荷载作用时，应符合P≤f要求，P为基础底面处的平均压力设计值;f为地基承载力设计值。

基础底面处的平均压力P可按下式确定:

式中:F为相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础底面的竖向力值，含风荷载和雪荷载;G为基础自重;A为基础底面面积。经计算P为202 kPa。

地基承载力设计值f可按下式修正:

式中:fak为地基承载力特征值，根据《建筑地基基础设计规范》规定，取值为70;ηb、ηd为基础宽度和埋深的地基承载力修正值，按照基础底下土的类别查表取值，根据设计报告地基基础以下土质为沙子，ηb、ηd取值为2.0、3.0;r为地基底面以下土的重度，取值为18;b为基础底面宽度，当基面＜3 m按3 m取值;rm为基础底面以上土的加权平均重度，取值为20;d为基础埋置深度，根据自记平台设计报告为8 m。经计算f为628。求得P＜f，符合地基承载力稳定性要求。

3 影响稳定性的主要因素分析

从以上的计算可以看出，影响稳定性的主要因素包括以下4个方面:

3.1 水位自记井自重G对稳定性的影响

自重G的荷载计算是水位自记井抗倾覆和地基承载力稳定验算中重要的一部分。对于抗倾覆验算来说，自重G越大，稳定力矩M稳越大，自记井的稳定性越好;但对于地基承载力验算来说，自重G越大，基础底部的压力值P越大，越不利于自记井的稳定性。因此设计过程中，在考虑性价比等因素的情况下，合理选取水位自记井的建筑材质尤为重要。

3.2 水冲击荷载Po对稳定性的影响

在进行抗倾覆验算时，水冲击荷载Po是计算倾覆力矩M倾时最重要的一种荷载。尤其是当设计的水位自记井位于冰凌多发河流岸边时，计算水冲击荷载时，还要必须考虑到冰排的冲击荷载，因为冰排的撞击最容易导致水位自记井受损，甚至无法使用。

当水冲击荷载Po越大，M倾越大，越不利于自记井的稳定性;反之，当水冲击荷载Po越小，M倾越小，越有利于自记井的稳定性。因此在设计过程中，合理的采取水冲击荷载Po的冰排荷载系数ζ和确定冰排撞击高度对水位自记井稳定性的设计十分重要。

3.3 被动土压力Pp对稳定性的影响

当仅考虑风荷载、雪荷载或低烈度地震荷载进行计算倾覆力矩M倾时，通过水位自记井自重荷载计算得出的M稳即基本能够保证水位自记井的稳定性。

但如果考虑到水冲击荷载，尤其是冰排的撞击荷载时，对于抗倾覆验算来说，被动土压力Pp的计算才是M稳计算中最重要的部分。当被动土压力Pp越大时，M稳越大，越有利于自记井的稳定性。因此在设计过程中，合理采取不同的被动土压力计算公式和各种系数对设计水位自记井的稳定性十分重要。

3.4 地质条件对稳定性的影响

由于水位自记井多为半地下建筑物，导致不同土质的容重、强度、压缩比、摩擦力等特征值对水位自记井稳定性验算的结果影响很大。

对于抗倾覆验算来说，井身周围土质的容重越大，被动土压力Pp越大，M稳即越大，自记井的稳定性越好;对于地基承载力验算来说，地基土的强度越大，压缩性越小，地基承载力f越大，自记井的稳定性越好。因此在设计之前，取得详细的建筑物所在地点的地质资料，是做好水位自记井设计的重要保证。

4 结论

总之，影响水位自记井稳定性的因素复杂多样，本文所探讨的只是诸多影响因素中较为基本和重要的。通过以上探讨，为了使设计的水位自记井具有很好的稳定性，在设计过程中应重点做好以下计算:①对永久荷载的计算;②对水冲击荷载的计算;③对被动土压力的计算;④地质资料的收集。

［1］水利部长江水利委员会水文局.SL384－2007水位观测平台技术标准［S］.北京:中国水利水电出版社，2007.

［2］龚晓南.土力学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［3］中国工程建设标准化协会.GB50009－2001建筑结构荷载规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2001.

［4］中国建筑科学研究院.GB50007－2002建筑地基基础设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.