第二节 水工基础常用形式与分析

一、按基础结构形式分类

此前，水工建筑基础形式尚未有明确的分类，在水工建筑物文献中，水工基础称谓五花八门。如泵房基础有分基型、共基型、块基型等；闸室基础有平底板、箱式平底板、低堰底板、折线底板、反拱底板等。

在泵站、水闸等水利行业有关设计规范中，水工建筑基础都统称为底板，如泵房底板、闸室底板、船闸闸室底板、挡土墙底板等，其含义为基础是建筑物底下的一块钢筋混凝土大板。显然，将基础称为“底板”比较笼统，没有表示出基础的类型和特点。

时代在发展，水工设计也需要在理论和方法上不断丰富、深化和创新。为了加强水工建筑地基基础的理论研究，进一步完善和发展水工基础工程的设计理论，由此，按照水工建筑基础的结构形式，将水工建筑基础综合归纳为筏形基础、箱形基础、块基型基础和拱形基础4种基本形式。工程实践表明，在这4种基本的基础形式中，筏形基础应用最为广泛。

本章主要讨论天然地基上水工基础的类型和应用，这些原理和方法也基本适用于人工地基上的水工基础。

工程设计中，筏形基础与桩结合，又可组成桩筏基础；箱形基础与桩结合，又可组成桩箱基础；块基型基础与桩结合，也类似于桩筏基础。这种深浅结合的基础，本节不作论述，其设计内容详见第八章。

（一）筏形基础

筏形基础也称片筏基础、筏板基础。在工民建中，当建筑物上部荷载较大而地基承载能力又比较弱时，用简单的独立基础或条形基础已不能适应地基变形的需要，这时常将墙或柱下基础连成一片，使整个建筑物的荷载承受在一块整板上，这种满堂式的板式基础称为筏形基础。筏形基础由于其底面积大，故可减小基底压力，同时也可提高地基土的承载力，并能更有效地增强基础的整体性，调整不均匀沉降。

水工建筑的基础，既是承受上部结构的重量及荷载又向地基传递的结构，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，大多数水工基础需要连成一片，形成一块整板，同样，这种满堂式的板式基础可称为筏形基础。

水工筏形基础必须具有足够的整体性、坚固性、抗渗性和耐久性，因此，通常都是采用钢筋混凝土结构。

筏形基础分为平板式（如排架式泵房底板）和梁板式，一般根据地基土质、上部结构体系、柱距、荷载大小及施工条件等确定。

1.工程应用

筏形基础在水工基础设计中应用十分普遍，如在闸室、泵房、船闸的闸室、悬臂式和扶壁式挡土墙等建筑中都有应用。由于功能的需要，如有防渗、抗冲的使用要求，水工需要采用筏形基础；而不是因为上部荷载较大，地基承载力较低而选择筏基。下面以水工中运用较多的建筑为例，对筏形基础在水工建筑中的应用作一阐述。

a.闸室中的筏基

闸室的平底板、低堰底板等均为筏基，筏基有平板筏基、梁板式筏基、折线形筏基、有局部加厚的筏基等，如图1.2-1所示。

在闸室的基础设计中，平底板是最常用的一种底板形式，因有闸墩和齿墙形成梁板式筏基；这种筏基具有构造简单、施工方便且刚度、内力及变形均匀等特点，对不同的地基有一定的适应性。

一般情况下水工基础底板均为梁板式筏基，如图1.2-1（a）所示；当需要限制单宽流量而闸底建基高程不能抬高，或因地基表层松软需要降低闸底建基高程，或在多泥沙河流上有拦沙要求时，可采用低堰底板；低堰底板即局部加厚的筏基，多为平底，上面加厚，如图1.2-1（b）所示。在坚实或中等坚实地基上，当闸室高度不大，但上下游河（渠）底高差较大时，可采用折线形底板，其后部也可作为消力池的一部分，既可改善水力条件，也可节省工程投资，如图1.2-1（c）所示。

b.泵房中的筏基

泵房按基础和泵房内是否可以进水分为分基型、干室型、湿室型和块基型。在这4种形式的泵房中，干室型泵房、湿室型泵房的基础多为筏基，且多为板式筏基，有齿墙的底板则为梁式筏基，如图1.2-2所示。泵房的结构形式因泵站的用途、水泵的类型、安装的方式等因素不同而不同；而泵房的基础形式是由泵房的结构形式、地质条件决定。因此，了解泵房基础形式，有必要先了解泵房分类。其次，了解泵房结构形式，也便于基础计算时能准确地选取计算简图，正确地进行荷载计算。

当进水池水位变幅增大，地下水位升高，为防止外水进入泵房，同时为防止地基承载力低时影响泵房安全，需将机组基础和泵房基础合建成封闭的不透水的整体结构，形成一个干室，故此种结构形式的泵房称为干室型泵房。

干室型泵房的类型有：①按平面形状有矩形、圆形、半圆形和桥墩形等；②按层次有单层和多层；③按机组形式有立式、卧式和斜式水泵机组；④按泵房和进、出水室的布置有合建式和分建式；⑤为了适应更大的水位变幅，要求又能减少工程投资，还有潜没式泵房。

总之，干室型泵房的结构形式是多种多样的。不同类型的干室型泵房，其基础基本均为筏基，如图1.2-2（a）所示。由于上部结构不同，基础的简化计算也是不相同的，如矩形泵房基础的长与宽之比大于2时，可将底板沿进、出水方向简化为单宽梁进行计算，常用方法有倒置梁法和弹性地基梁法，计算方法将在第三章、第五章中分别介绍；而圆形泵房基础，其厚度t与圆筒直径D之比，即t/D≤1/10时，可作为弹性地基上的薄板计算。

当进水池（或水源）水位变幅或地下水位的进一步加高，采用干室型泵房会使干室较深，不利于机组通风、采光、防潮，且干室要承受较大的浮托力，不利于泵房的稳定，故当水位变幅为2～5m时，需采用立式水泵机组，或采用水泵淹没于水下的立式水泵机组，使泵房下部直接成为一个进水室，这就形成了湿室这种结构形式的泵房。此种泵房分为上下两层，上层干燥放置电动机及其附属设备，为电机层；下层为湿室放置水泵，作用相当于进水池，为水泵层。

根据地形、地质、建筑材料及水泵机组形式等条件，根据湿室结构的不同，湿室型泵房的结构形式主要有墩墙式、排架式、圆筒式和箱式泵房等4种，常用的为排架式和墩墙式两种。排架式湿室型泵房为避免泵房两侧和后墙的回填土压力，采用钢筋混凝土的梁柱结构支承水泵机组和泵房的上部结构，如图1.2-2（b）所示。此种结构无墙，省材料，结构轻，地基压力小，但支护工程量大，设备检修不便，且由于泵房四面环水，需在泵房一侧建工作桥与岸坡连接，以便通行。

墩墙式湿室型泵房，如图1.2-2（c）所示，一侧与前池相连，其他3面均为挡土墙，为保证每台机组有单独的进水室，泵与泵之间用隔墩隔开，下层结构由挡土墙和隔墩构成而得名。挡土墙外侧回填土，泵房要承受较大的土压力。为满足抗滑稳定性，有时需加大泵房重量，增大地基压力和工程造价，因此，一般适用于地基条件较好的地区。

湿室型泵房的主要特点是在其下部有可以进水的湿室。和干室型泵房相比，室中的水重可以平衡部分水的浮托力。因此，湿室型泵房的整体稳定性比干室型泵房好。因此，对地基条件较差的泵站应该首先考虑选用湿室型泵房。尽管湿室型泵房也有多种结构形式，但基础均为筏基。

c.房屋建筑中的筏基

为了方便读者对筏基的理解，并加强知识面的拓展，这里简单介绍房屋建筑中的筏形基础，以了解与水工筏基的不同点。

在房屋建筑中，当柱下交叉梁基础面积占建筑物平面面积的比例较大，或者建筑物在使用上有要求时，可以在建筑物的柱、墙下方做成一块满堂的基础，即筏形基础。筏形基础由于其底面积大，故可减小地基上单位面积的压力，同时也可提高地基土的承载力，并能更有效地增强地基的整体性，调整不均匀沉降。筏形基础在构造上好像倒置的钢筋混凝土楼盖，并可分为平板式和梁板式两种，如图1.2-3所示。平板式的筏形基础为一块等厚度钢筋混凝土平板。

筏形基础的厚度较大，所以它的整体刚度相当大，能有效地调整基底的压力分布，对不均匀地基有较好的适应性，具有较大底面积的筏形基础，甚至能跨越不大的洞穴、暗穴，而无需对地基进行特别处理。

2.筏基尺寸确定

a.筏基厚度确定

一般结构平面布置方案确定后，就要拟定筏板的厚度。基础设计中，筏板厚度可按以下方法综合确定。

（1）按工程类比法确定。按工程类比法确定筏板的厚度，是设计中常用的方法，可根据工程地质、工程规模、工程布置等因素，参照类似的工程进行本工程的设计。

必须指出，采用工程类比法时，设计人员在确定筏板厚度时为求更安全，往往盲目地放大筏板厚度，此类问题时有发生。工程设计的“终生责任”，使结构设计人员越做越胆小。该问题也暴露出设计人员缺乏清晰的结构概念，或者说在基本概念上有些偏颇。

（2）满足构造的筏板厚度。天然地基上的筏板，除了满足承载力要求外，还需要利用其刚度调整地基反力和结构的差异沉降，因此板的厚度较大，且需要满足厚跨比；构造要求有两个条件必须同时满足：①按照底板的刚度要求，底板厚度为跨度的1/6～1/8；②按照耐久性设计要求，最小厚度不宜小于0.7m；以上两个条件所确定的厚度应取其中的大值。

（3）按受力条件确定厚度。筏板主要是受弯构件，是弯矩起控制作用。为了能更准确地确定截面尺寸，可根据筏板的最大弯矩确定筏板截面尺寸。

当上部结构和闸墩的尺寸初步选定以后，取一跨为单位，估算总重量（不包括底板自重），除以一跨的平面面积，可以得到底板的均布荷载q，然后估算底板的最大弯矩和需要的厚度。

按弯矩确定底板厚度，就必须先对底板弯矩作出计算，这里为配合底板厚度的估算，先提出简单的估算方法，详细的内力计算将在后面的章节中论述。

底板与墩墙整体浇筑，计算底板时，墩墙是可以转动的，其作用介于固定支座和简支之间，是一种弹性支座，底板可能出现的最大弯矩为

式中 l——支座的中心间距，m；

q——底板的均布荷载，kPa。

底板需要的厚度不仅取决于最大弯矩，而且也与底板的配筋率有关。底板的最小配筋率取0.15%，则底板厚度可用式（1.2-2）估算，即

式中 h——筏板抗弯需要的最小厚度，mm；

K——混凝土结构构件的承载力安全系数，按表1.2-1选取；

M_max——底板最大弯矩设计值，10⁶kN·m；

f_y——钢筋强度设计值，MPa；按混凝土结构设计规范选取。

（4）按抗剪、抗冲切确定厚度。筏板主要受集中荷载时，尚应按抗剪、抗冲切承载力计算确定筏板最小结构厚度；如采用筏板基础的安装间、管理楼和工业民用建筑，就需要考虑抗剪、抗冲切。对于梁板式筏基，除计算正截面受弯承载力外，其厚度尚应满足受冲切承载力、受剪切承载力的要求。

参照建筑地基基础设计规范，底板受冲切承载力按式（1.2-3）计算，即

式中 F_l——作用在图1.2-4中阴影部分面积上的地基土平均净反力设计值；

u_m——距基础梁边h₀/2处冲切临界截面的周长（图1.2-4）；

β_hp——受冲切承载力截面高度影响系数，当h≤800mm时，β_hp取1.0，当h≥2000mm时，β_hp取0.9，其间按线性内插法取用；

f_t——混凝土轴心抗拉强度设计值；

h₀——基础冲切破坏锥体的有效高度。

当底板区格为矩形双向板（l_n2/l_n1≤2）时，底板受冲切所需的厚度h₀按式（1.2-4）计算，即

式中 l_n1、l_n2——计算板格的短边和长边的净长度；

p₀——相应于荷载效应基本组合的地基土平均净反力设计值。

底板斜截面受剪承载力应符合式（1.2-5）要求，即

式中 V_s——距梁边缘h₀处，作用在图1.2-5中阴影部分面积上的地基土平均净反力设计值；

β_hs——受剪切承载力截面高度影响系数，当按式（1.2-2）计算时，板的有效高度h₀＜800mm时，h₀取800mm；h₀＞2000mm时，h₀取2000mm。

（5）满足支座所需的厚度。当筏板上有墩墙或挡土墙时，筏板的厚度要满足作为支座的需要。中墩的厚度要满足门槽布置，门槽深一般为0.3m，门槽颈部厚度一般不宜小于0.5m；边墩厚度不但要满足门槽布置，同时还应满足强度需要。在墩墙厚度确定后，筏板厚度应满足以下两点：

1）要满足作为墙身固端的要求。墙身固接于底板上，底板是嵌固端，它需要将节点的所有自由度全部约束，因此要求底板的刚度要大于墙身的刚度。

2）底板受力钢筋的混凝土保护层厚度要大于墙身受力钢筋的混凝土保护层厚度，因此，要求底板的厚度要大于墙身的厚度。

综上所述，在实际工程设计中，底板厚度一定要大于墙身的厚度，设计时，一般按墙身根部厚度+50mm作为底板的最小厚度。

水工筏形基础厚度一般都较大，而承受的荷载较小，一般基底压力平均值都是在80～250kPa内，不同于建筑行业的筏板，所以在设计中，一般只需进行正截面受弯承载力计算。因为水工筏板基础承受的荷载较小，厚度较大，抗剪、抗冲切要求很容易满足，因此，可以不进行抗剪、抗冲切计算。下面通过例题加以说明。

【例1.2-1】某水闸闸孔净宽8.0m，筏形基础，平面布置如图1.2-6所示，在荷载基本组合下，基底净反力设计值为92kPa（平均值），底板混凝土强度为C30，f_t=1.43N/mm²，试确定筏板最小厚度。

【解】（1）按构造要求：底板厚度为闸孔净宽的1/6～1/8，则h=（1/6～1/8）L₀=1.33～1.0m。

（2）闸底板两边为闸墩、上下游为齿墙，所以底板应为梁板式筏基，因此，底板厚度应满足受冲切承载力、受剪切承载力的要求。

1）按受冲切所需的厚度计算：

按抗冲切承载力计算，底板最小厚度：

h=h₀+2c=0.21+2×0.05=0.31（m）

2）按底板斜截面受剪承载力所需的厚度计算：

V_s=92×（4+10.4）×3.2／2=2119.68（kN）

由式V_s≤0.7β_hsf_t（l_n2-2h₀）h₀解得：h₀=0.18m。

所以，抗剪、抗冲切承载力计算确定最小厚度为0.31m，按构造需要确定底板厚度为1.2m，大于抗剪、抗冲切所需厚度，取底板厚度为1.2m。

由以上计算结果可以看出，水工筏形基础承受的荷载一般较小，在满足构造厚度后，就不需要进行抗剪、抗冲切验算，这也大大简化了水工筏基的计算内容。

b.筏基平面尺寸确定

理论上说，筏基尺寸应根据上部荷载和地基承载力计算确定，同时还应满足构造要求；但在水利工程中，基础尺寸基本是根据上部结构布置确定。对于水利工程，筏基有两种不同的布置形式，两种布置形式的不同点是边墩处或边梁柱处筏基是否外挑。

（1）筏基不外挑。筏基不外挑是指边墩处筏基平墩墙或边梁柱布置，边墩或边梁柱的外墙皮即是筏基的外边缘。当地基承载力能满足上部结构的荷载要求时，可以采用这种布置；这种布置是水利工程中常用的形式，如图1.2-7所示；水利工程中一般基础荷载不大，筏基可以不外挑，该布置形式优点是施工时立模方便。

（2）筏基外挑。筏基外挑是指边墩处或柱边筏基向外挑出，挑出长度一般为0.6～1.0m，如图1.2-8所示；当有必要扩大底板面积来满足承载力需要时，一般常用这种布置形式；但在某些筏基中，为了满足构造需要，筏基应有一定的外挑长度，如在排架式泵房中，筏基应挑出柱边，使柱传下来的集中力可以分散，同时，也满足柱的构造要求，如图1.2-8（b）所示。

梁板式筏基，梁板宜外挑边跨的0.25倍，且梁边跨跨中弯矩以及第一内支座的弯矩值宜乘以1.2的系数，如图1.2-8（b）所示。

对于有墩墙的筏基，在边荷载较大或底板跨度较大时，边墩处筏基宜外挑，以减少跨中弯矩和支座负弯矩；相同的基础布置，在基底反力相同的情况下，外挑可以适当减少跨中弯矩和支座负弯矩，如图1.2-9所示。

从构造设计看，筏基悬挑有利于墩墙或柱受力钢筋在底板内的锚固；如果不悬挑，则墩墙外皮和筏板端外皮不可能同时满足钢筋保护层厚度。因此，筏基在有条件外挑时，宜尽量采用外挑形式。

3.筏形基础地基计算要点

基础选择和地基选择紧密相联，水工筏形基础的平面尺寸确定后，应根据地基土的承载力、上部结构的布置及荷载分布等因素进行验算。当为满足地基承载力的要求而扩大底板面积时，扩大部位宜设置在建筑物的宽度方向。筏形基础的地基应进行承载力和变形验算，必要时应验算地基的稳定性。

（1）基础底面积的验算。

1）筏基基底压力计算。水工筏基为刚性基础，基底反力呈直线或平面分布，如图1.2-10所示，可以按材料力学偏心受压公式简化计算，即

式中 p_max、p_min、p₁、p₂——筏基4个角的基底压力设计值，kPa；

∑F——筏基上的总竖向荷载设计值，kN；

G——基础及回填土的重量，kN；

l、b——筏基的长度、宽度，m；

e_x、e_y——上部结构荷载在x、y方向对基底形心的偏心距，m。

2）基底压力应满足基础持力层的地基承载力要求，即

3）基底压力应满足基础底面压力不均匀系数η的计算值不应大于允许值，或偏心距e的计算值应不大于允许值的要求。

4）如有软弱下卧层，应验算其下卧层强度，验算方法与天然地基上的浅基础相同。

（2）筏基沉降要求。基础的沉降应小于建筑物的允许沉降值［s］，沉降量可按分层总和法或按规范规定的方法计算，如果基础埋置较深，应适当考虑由于基坑开挖引起的回弹变形。当预估沉降量大于150mm时，宜增强上部结构的刚度。

（二）箱形基础

1.箱基形式及工程应用

箱形基础是指由底板、顶板、侧墙及一定数量内隔墙构成的整体刚度较大的钢筋混凝土箱形结构，简称箱基。在水利工程中，根据箱基功能可分为以下3种：

（1）补偿型箱基。

1）补偿型箱基的应用。

由于箱基的基槽开挖深，而基础为空心结构，以挖除土的自重来抵消或减少上部结构荷载，属于补偿性设计，由此可以减少基底的附加应力，使地基沉降量减少，用于此目的的箱基为补偿型箱基。

在松软地基上且荷载较大时可采用箱式平底板；箱式平底板具有很好的整体性，对地基不均匀沉降的适应性和抗震性能都很好；但缺点是工程量较大，结构较复杂。因此，只有在高压缩性软黏土地基上，为了减少地基的不均匀沉降需要增大建筑物的横向刚度，或因承载力不足需要加大建筑物底板的埋置深度，此时才采用箱形基础。

例如，江苏省善后河节制闸，闸基下有10m左右极软的砂质黏土，标准贯入击数只有一击，允许承载能力极低。这种压缩性很大的软土地基上，由于可能产生的不均匀沉降量较大，为防止底板断裂，设计要求闸底板应具有较大的刚度与较小的重量，故闸底板采用空箱式结构，闸室剖面如图1.2-11所示。

2）补偿性设计。

为了对补偿型箱基的理解，这里简单介绍补偿性设计。箱形基础由于需要进行大面积和较深的土方开挖，所以相应于基底深度处土的自重应力和水压力之和在数值上较大，往往能够补偿建筑物的基底压力，形成补偿型基础。

基础设计时，如果基底压力p恰好等于土的自重应力与水压力之和p_c，即p₀=p-p_c，则基底附加应力p₀为零，从理论上讲，如果施工过程中基底土中的有效应力和水压力无任何变化，则地基不会发生任何沉降，也不存在承载力的问题。

但实际情况并不是这样，基底土由于开挖会产生反弹，加载又会产生再压缩；又由于建筑物受水平荷载作用将形成倾覆力矩，在基础边缘处产生很大的压力，因此，承载力和沉降问题仍然是存在的。

然而，实际工程中这种补偿性设计，确实起到了减少地基沉降和提高地基稳定性的作用。这种补偿性设计应用有两种情况：当p＞p_c时，为欠补偿；当p＜p_c时，为超补偿。超补偿时浮力较大，建筑物可能“浮起”，设计中应特别加以注意。

（2）底涵型箱基。底涵型箱基是由功能需要而形成的箱基。例如，在交叉河口建闸，两条河道都需要保持通水，为了节省工程造价，可将闸室结构与穿河底涵合并在一起建造，利用穿河底涵作为闸室的空箱基础，当穿河底涵尺寸较大时，尚可利用底涵作为空箱式护坦。

淮河入海水道淮安枢纽工程，位于京杭运河与苏北灌溉总渠交汇处北侧，是淮河入海水道的第二级枢纽；该工程主要功能是实现入海水道与京杭运河的交叉，维持京杭运河水路航运，同时满足入海水道泄洪及渠北运西地区排涝要求和连接淮扬公路交通。该工程采用底涵型箱基，即“上槽下洞”的立体结构，上部为京杭运河渡槽，下部为入海水道泄洪涵洞；立交地涵共15孔，单孔断面为6.8m×8m（宽×高）；过流能力为近期泄洪流量22700m³/s、强迫泄洪流量为28900m³/s；立交地涵顺水流方向长108.604m，垂直水流方向长122.48m，上部京杭运河航槽宽80.0m。

江苏省沭阳闸也是底涵型箱基最好的实例，该闸位于淮沭河与柴米河交叉河口处，为结合柴米河底涵，该闸底板建成空箱式结构，底涵型箱基为柴米河底涵，整体形成上闸下涵，如图1.2-12所示，这种双层交叉式建筑，上层为调节淮沂水位服务于灌溉、航行、供水等功能于一体的节制闸，下层为解决淮沭新河以西大片土地排涝问题的并列式的地下涵洞；既解决了软土地基问题，也实现了灌溉、排涝等多功能相结合的目标。这种将水闸、地涵结合建在一起，一闸多用，充分发挥建筑物的作用，可大幅度降低工程造价。

（3）结构型箱基。基础与上部结构相结合形成整体空箱结构，该空箱结构既是主体结构，满足基础以外的功能需要，又是基础的一部分，可称为结构型箱基。

结构型箱基在大型泵房设计中会经常采用。如泵房基础局部采用箱基，作为检修和排水廊道，扩展了使用功能；同时，利用空箱还可以调整某一部位（出水侧）重量的增减，使地基应力分布尽量均匀，以满足基底应力比的要求，如图1.2-13所示。

涵洞式水闸，涵洞与底板结合，也是结构型箱基；涵洞既是过水的通道，又是空箱基础，如图1.2-14所示。

（4）房屋建筑中的箱基。这里一并简单介绍房屋建筑中的箱形基础，以方便读者加强对箱基的理解，同时，通过对比，掌握水工结构中箱形基础的特点。

高层建筑基础设计时，当深层土抗剪强度较低时，单纯靠扩大底面积（筏基）以减少基底压力往往效果不大，也不经济，这时可考虑采用箱形基础，如图1.2-15所示，以加大基础埋深和刚度。

2.构造要求

以上所述水工补偿型箱基、结构型箱基和底涵型箱基，应满足以下构造要求。

（1）内外墙。箱形基础外墙沿建筑物四周布置，内墙一般沿上部结构构件（如柱网和剪力墙）纵横均匀布置，墙体水平截面面积不宜小于基础底面面积的1/10，箱基的纵墙配置量不得小于基础底面面积的1/8。内墙的厚度一般采用200mm，外墙因承受土压力和水压力，同时有防渗要求，厚度一般不应小于250mm。

（2）顶板和底板。箱形基础的顶板和底板通过纵横墙联系在一起而共同工作，因此，顶板也是基础结构的组成部分。

箱基顶板按薄板强度和稳定性的要求，其厚度采用150～200mm已经足够；在房屋建筑中，当箱基兼作人防地下室，要求承受爆炸作用和坍塌荷载时，所需厚度按计算决定，并不应小于300mm。底板厚度通常取400～500mm，应视基底反力和板跨度大小而定。实际工程中也有采用大于1000mm厚的底板，这样做有利于防渗。

（3）配筋。箱形基础的顶板和底板及墙体内应设置双面双向钢筋，墙身竖向钢筋不宜小于φ12＠200mm，其他部位不宜小于φ10＠200mm。顶板和底板配筋不宜小于φ14＠200mm。当箱基墙体上部无剪力墙时，其顶部和底部宜各配置两根不小于φ20mm的通长构造钢筋。钢筋的搭接长度和转角处的连接长度，不应小于钢筋的受拉搭接长度的要求。

（4）混凝土。箱形基础混凝土强度等级不应低于C20，如采用密实混凝土防水，其外围结构的混凝土抗渗等级不应低于W6。当基础长度超过30～40m时，为了避免因温差在混凝土中产生应力，应设置贯通箱基横断面的后浇带，带宽不宜小于800mm，后浇带处钢筋必须连通并适当加强。

（5）底涵型箱基。底涵型箱基，因箱基是作为过水的涵洞，故称为箱涵。箱涵可以通过调整高宽比，首先应满足泄流要求。小跨径箱涵一般都做成单孔，当孔径大于2～3m时，可做成双孔或多孔。单孔箱涵壁厚一般为跨径的1/12～1/8，双孔箱涵顶板厚度为跨径的1/10～1/9，侧墙厚度为洞高的1/13～1/12，隔墙厚度可稍薄。

箱基结构设计内容包括各构件（顶板、底板、内墙、外墙）的强度以及配筋和构造要求。强度计算是以内力为依据，而基底反力的大小及分布直接影响内力值，因而，地基反力的求解是箱基设计的关键。

3.箱形基础地基计算要点

（1）地基承载力验算。箱基的地基承载力验算与筏形基础相同，即在轴心荷载下满足p≤R以及在偏心荷载下满足p_max≤1.2R；在偏心荷载下尚应满足p_min≥0的要求。

在计算基底压力时，箱基在地下水位以下部分的自重，应扣除扬压力。

（2）应满足基础底面应力不均匀系数的计算值不应大于允许值，或偏心距的计算值应不大于允许值的要求。

如有软弱下卧层，应验算其下卧层强度，验算方法与天然地基上的浅基础相同。

（3）沉降计算。箱基一般有较大的埋深，深开挖引起的地基土回弹，以及随后的再压缩产生的沉降量，往往在总沉降量中占重要地位，已不能忽略。即除了建筑物荷载产生的基底附加压力p₀引起的沉降外，土的自重p_c也会产生一定的沉降。但后者是一个再压缩过程，计算时应该采用土的再压缩参数。为此，在做室内压缩试验时，应进行回弹再压缩试验，其压力的施加应模拟实际加、卸荷的应力状态。

水工箱基的沉降应小于允许沉降值［s］，沉降量可按分层总和法或按规范规定的方法计算，如果基础埋置较深，应适当考虑由于基坑开挖引起的回弹变形。当预估沉降量大于150mm时，宜增强上部结构的刚度。

房屋建筑中，箱形基础的允许沉降量到目前还没有明确统一的规定，一般应根据建筑物的使用要求和可能产生的对相邻建筑物的影响，按地区经验确定，也可参照《建筑地基基础设计规范》（GB 50007）中的高耸结构取用。建议对中、低压缩性土不宜超过200mm，对高压缩性土则不宜超过350mm进行控制。

（三）块基型基础

1.工程应用

块基型基础是水工建筑独有的一种基础形式，是建筑物基础与设备基础整体浇筑在一起的块体结构，是大型泵站常见的一种泵房基础形式；块基型基础在船闸的闸首、水电站河床式厂房的基础中也有应用。

泵房基础和水泵机组的基础浇筑在同一混凝土块体上，构成整个泵房的基础，呈块状基础结构，因此称为块基型基础。其主要特点是将泵座、进水流道和泵房底板浇筑在一起，泵房本身重量大，抗浮和抗滑稳定性好，适用于大口径水泵，对于需要泵房直接挡水时，采用块基型基础较为有利。由于块基型结构整体性好、刚度大、抗震性能好，因此可适用于各种地基条件。

块基型泵房的形式很多，如按泵房是否直接挡水分为堤身式和堤后式；按水泵机组结构分为立式、斜式、卧式；不同形式的机组对泵房结构有很大影响。按底板形式，块基型基础有平底板、折线形底板。折线形底板受力条件比较复杂，只是在某些特定的条件下才被采用。

2.几种常见形式

a.立式机组块基型泵房

块基型泵房一般采用矩形，流道与机墩往往连为一体，泵体固定在机墩或座环上。立式机组的块基型泵房，仍然可以根据挡水形式进行分类，如图1.2-16所示，但基础形式基本相同。

b.斜式机组块基型泵房

大型轴流泵和导叶式混流泵有斜式结构，斜式泵的装置效率一般较高。同时，斜式泵一般采用泵壳中开的结构，安装检修比立式泵方便。斜式机组的电动机位置较高，具有立式机组同样的通风良好的优点。另外，斜式水泵机组的泵房结构简单，造价较低。因此，安装大型斜式机组的块基型泵站近年来有所发展。如图1.2-17所示，斜式机组块基型基础形式基本相同。

c.卧式机组块基型泵房

卧式机组的泵房形式很多，主要分为轴伸式和贯流式，其基础相对较小；而轴伸式又有前轴伸式和后轴伸式两种。贯流泵又分灯泡式和全贯流式，灯泡式还有前置灯泡和后置灯泡。卧式机组泵房的主要优点是泵房高度较低，工程投资较省，机组安装检修较方便等，如图1.2-18所示，基础形式基本相同。

3.块基型基础地基计算要点

块基型基础地基计算要点与筏基地基计算基本相同，即：

（1）应满足基础持力层的地基承载力要求；如有软弱下卧层，应验算其下卧层强度。

（2）应满足土基上水工基底应力不均匀系数的允许值［η］；岩基上水工基底应力不均匀系数可不控制；但在非地震情况下，基础底面边缘的最小应力应不小于零；在地震情况下，基础底面边缘的最小应力应不小于-100kPa。

（3）基础的沉降量和沉降差，应小于建筑物的允许沉降值［s］和倾斜值。

（四）拱形基础

1.工程应用

拱形基础又称为反拱底板，它利用拱形结构的特点，充分发挥了混凝土的抗压性能；与平底板比较，底板厚度可以减薄，钢筋用量也可大为减少。

拱形基础曾在中、小型闸室基础中有所应用，但在其他水工建筑基础设计中很少采用。反拱底板闸室结构，20世纪五六十年代曾是江苏、浙江等地区常采用的一种结构形式；但由于反拱底板不平，中间低两侧高，在闸室泄流时，反拱底板易形成水流向中间集中，单宽流量分布不均匀，不利于下游消能。

其次，由于反拱底板是连拱式超静定结构，对于地基的不均匀沉降比较敏感，因此要求建造在较好的地基上。而对于粉砂地基上的反拱施工，必须采取有效的降低地下水位的工程措施；否则开挖反拱基坑难以成型或地基在施工中易受扰动而液化。

对于抗压强度较好的混凝土而言，采用拱形结构无疑更能适应材料的特性，因而可获得良好的经济效果。根据一些工程统计，中、小型闸室基础，可比一般梁、板式的钢筋混凝土基础少用混凝土50%左右，节约钢筋30%以上。此外，一般情况下施工时不必支模，土方挖运量也较少。

拱形基础的问题是施工工作量大，技术要求高。例如，修筑拱形基础的土胎、布置钢筋以及浇捣混凝土等，都有一定的技术要求和质量标准，而且较难实行机械化施工，因而工期长、施工费用大，目前在水利工程中已很少采用。

在闸室设计中，反拱底板有两种不同的布置，一种是反拱底板支撑在闸墩上，如图1.2-19（a）所示，该布置使反拱底板净跨度较小，闸墩受地基约束，可以减少相邻闸墩的相对水平位移和相对角变位，从而可有效地减少反拱底板内力。

另一种是闸墩搁置在反拱底板上，如图1.2-19（b）所示，该种布置反拱底板净跨较大，闸墩不能起到固定拱角的作用。

2.构造要求

a.矢跨比

矢跨比是指拱的矢高f与跨径L之比，即f/L，又称矢度。矢跨比直接影响拱圈的应力分布和施工条件，因此，反拱底板的矢跨比既不能太大也不能过小，一般黏性土地基为1/10～1/8，砂类土地基为1/12～1/10。

b.反拱底板厚度

反拱底板厚度，一般采用跨径的1/15～1/8；在拱断面中的压应力不超过材料的允许抗压强度的条件下，应选用较小的拱圈厚度。但考虑到施工条件，一般反拱底板最小厚度不宜小于400mm。

二、基础类型的选择和比较

（一）基础方案选择

前面已综合归纳出水工基础的4种类型，每一种结构形式都有其特点和适用条件，工程设计中需要根据地基、运用条件等不同因素进行比较后选用。

选择基础的过程，实际上也就是基础方案的比较过程。在单个工程设计中，应根据不同的工程规模、不同的设计阶段，通常同时提出2～3个不同的设计方案，进行技术经济比较，从中选用一个最佳方案。基础设计方案，应安全可靠、技术先进，密切结合实际，注重经济效益；应进行综合比较，有分析、有论证，并有明确的结论和意见。

基础形式的选择不能孤立地进行，需要对建筑物上部结构和地基条件、使用要求等综合分析，全面考虑，做到上下兼顾。以下简述两种选择基础类型的主要方法。

1.根据地基类型选择基础

地基有天然地基、人工地基。天然地基有软土地基、湿陷性土地基、多年冻土地基等。工程设计必须根据地基的具体情况，设计合适的基础工程。基础方案比较时，不能局限于基础结构形式，而应该和地基方案一并考虑。例如，箱形基础可以减轻结构自重，并增加建筑物的刚度，这种结构适用于地基很差的情况，如软土地基，这时除了采用人工地基外，也可考虑采用这种补偿型基础。

显然，采用箱形基础地基反力较小，而构成的基础刚度大，能适应地基承载力小、沉降值大的特点。但也必须指出，箱形基础造价高，施工困难，不一定比进行地基处理经济，因此，选用基础时，不能局限于基础本身，有时处理地基比采用复杂的基础形式更有利。

根据地基类型选择基础，就是要根据工程地质条件、地层结构、各土层的物理力学性质、地基承载力以及地下水位、水质、当地冻深等因素，因地制宜地进行基础设计。

2.结合上部结构选择基础类型

以上阐述的地基条件是选择基础形式的前提，而基础形式又是影响水工建筑结构形式的主要因素；事物都是辩证的、相辅相成的，所以，在选择基础结构形式时，应结合上部结构综合考虑。

例如，在软土地基上，建筑物上部为排架结构，因排架结构为柔性结构，能较好地适应地基变形，这种情况下基础刚度可以小点；但如果上部结构是单层框架结构，对地基不均匀沉降比较灵敏，则应选择刚度较大的基础。

结合上部结构选择基础类型，就是要考虑建筑物上部结构的形式、用途、荷载大小与性质、整体刚度以及对地基不均匀沉降的敏感性。

建造在软弱地基上的水工建筑，可能因地基发生较大沉降，以及由于地基承载力不足会严重地影响其正常工作，甚至导致建筑物的失事。因此，遇到软弱地基进行设计时，应从建筑物的结构选型和地基处理两个方面综合考虑。

【例1.2-2】某滨海城市一水闸工程，闸室底板平面尺寸为21.6m×12m，地基持力层为4m厚的淤泥质地基，其下为粉质黏土，土质较好，γ=19.2kN/m³，φ=18°，c=24kPa，层厚h=8.70m。经计算地基允许承载力和沉降均不能满足设计要求，试提出该水闸基础设计方案。

【解】地基与基础是联系在一起的，互为影响，因此，在确定基础形式前，应首先选择合适的地基形式。本工程主要问题是地基承载力和沉降都不能满足设计要求，针对要解决的问题，有多种解决方案，根据经验进行初步比选后，拟定以下两个方案进行比较。

方案一：采用筏形基础，板厚1.2m；地基采用水泥土搅拌桩处理，桩径0.5m，正方形布桩，桩距1.5m×1.5m，桩长4.5m；地基采用水泥土搅拌桩处理，有成熟的施工经验，而且施工方便；筏形基础构造简单，同样施工方便。经计算水泥土搅拌桩处理地基，其地基允许承载力和沉降均满足设计要求。

方案二：采用箱形基础，其中有两个方案：①把软弱土层挖除，将基础设置在较好的土层上。但因软弱土层较厚，全部挖除不仅施工困难，且基础设置深度过大，使工程不够经济合理；②箱基高2.0m，其下采用换填2.0m厚砂土，以满足建筑物沉降和稳定的要求。显然，这种基础结构形式比较复杂，造价较高，施工复杂，而且基底下一定范围内的软弱土层还须挖去，用质量好的土回填夯实，地基尚需作一定处理。因淤泥层较厚，全部采用箱基替换不经济，因此，采用箱基加换填方案较合理，但地基沉降稍大，地基允许承载力和沉降均满足设计要求。

上述两方案综合比较列于表1.2-2中。

（二）基础类型综合比较

水工基础工程设计时必须作出两个以上方案，进行技术经济的全面比较。而对于软弱地基或地基情况比较复杂，基础设计应和地基设计一并进行，提出完整的地基基础设计方案。

基础结构形式不同，则适用的条件不同。在水工建筑结构中，底板的结构形式和挡水结构的特征，是影响结构形式的主要因素。综合上述4种基础形式，它们的特点和对地基的要求等归纳于表1.2-3中。

（三）折线形底板的应用和分析

在上述的筏形基础、箱形基础和块基型基础中，基底的形状可以是平底板和折线形底板；平底板是一种常用的形式，而折线形底板在每一段内也是平面，折线是对基础的底面形状而言。显而易见，即使是同一种类型的基础，平底板和折线形底板地基反力分布、基础内力计算和建筑的稳定性验算等都不相同。

对于折线形底板，目前鲜见简化的计算方法，这有待于今后再作探讨。以下对折线形底板的论述是从基础选型的角度予以分析。

1.折线形底板的应用

a.泵房中折线形底板

（1）斜轴泵下的折线形底板。在斜轴泵的泵房中折线形底板应用比较普遍，如黄盖湖泵站、太浦河泵站、八里湾泵站、龙华港泵闸等。当泵房进、出水流道底高程相差较大时，为节省工程量，常采用折线形底板。

进、出水流道底面高程，主要取决于水泵的放置角度以及进、出水流道的长度。15°斜轴泵，进、出水流道底面高程基本持平，如图1.2-20（a）所示；30°斜轴泵，进、出水流道底面高程相差3.10m左右，如图1.2-20（b）所示；45°斜轴泵，进、出水流道底高程相差最大，一般在4.4m左右，如图1.2-20（c）所示。

（2）直立式轴流泵也有折线形底板。在直立式轴流泵的泵房设计中，底板也常采用折线形底板，如徐州解台泵站、安徽省驷马山站、江苏省盐城安丰站、江都四站及湖北高潭口站等；其斜坡段倾斜角度较小，一般介于5°～20°之间，如图1.2-21所示。

这种小折线形底板，折线倾斜角度一般小于30°时，实测资料表明，基底应力和底板内力均可以按平底板设计。

b.闸室中的折线形底板

闸室中的折线形底板有两种情况：一是上、下游河底高差较大时，为便于连接，并有利于水利平顺，可以采用折线形底板；二是闸门后底板较长，在底板内容易产生水跃，将底板后半部分与消力池结合，因此形成折线形底板，如图1.2-22所示。

c.其他建筑中折线形底板

在房屋建筑中，底板有高差处，可以有以下几种梁板做法。

（1）高差、底板受力均不大时，设置地梁作为底板支承，地梁最小高度取值应确保两边底板均可以连接。

（2）折板做法，底板等厚度弯折，板筋连续，无论是否设置地梁。

（3）高差较大，如相差一层时，可以考虑采用竖向墙的形式连接。

2.工程实例分析

本工程实例拟通过泵房基础设计，对平底板和折线形底板进行分析比较，进一步阐明折线形底板的应用。

a.工程概况

淀东水利枢纽位于黄浦江西岸的淀浦河上，由一座排涝泵闸（泵站设计流量为90m³/s，闸孔净宽24m）、一座引水泵闸（泵站设计流量为20m³/s，闸孔净宽5m）、一座200t的船闸组成。

排涝泵站采用3台30°斜式轴流泵，肘形流道进水，直管式流道出水，快速闸门断流。泵站的站身长38m，进出水流道宽8.00m。进水流道底高程-5.5m，进口高度5.54m，出水流道底高程-2.38m，出口高4.00m。

由上部结构布置，主泵房基础尺寸为29.7m×38m，进、出水流道与泵房底板浇筑为一块整体，并作为整个泵房的基础，即块基型基础。由于进水流道底板与出水流道底板高程相差较大，因此，泵房底板进行了平底板和折线形底板两种布置方案的比较。

b.地质条件

工程区为滨海平原地貌，根据本次勘探分析，本场地自地表至40.0m深度范围内所揭露的土层均为第四纪松散沉积物，按其成因可分为7层，由上至下依次为：

第①层，填土，普遍分布，以杂色黏性土为主，表层夹有碎石、植物根茎等杂物，厚度为1～2.8m。

第②层，褐黄—灰黄色粉质黏土，在本场区遍布，状态可塑，中等压缩性，上海地区俗称浅层的“硬土壳”，是天然地基的良好持力层。

第③层，淤泥质粉质黏土，层厚为4.0～6.0m，状态流塑，属高压缩性、高灵敏度和低强度土。

第④₁层，灰色淤泥质黏土层，层面埋深6.0～9.3m，层厚1.5～4.0m，土质较软，本层也夹较多薄层砂质粉土，属高压缩性、高灵敏度和低强度土。

第④₂层，灰色黏质粉土，局部区域所见（C5、C6和B5孔）。

第⑤_1a层，灰色黏土，第⑤_1b层，灰色粉质黏土，状态软塑，高压缩性，土质一般。

第⑤₂层，灰色黏质粉土，在本场地东面淀浦河北岸分布，层厚不匀（见B5、C5、C7），土质较上部第⑤_1b层好，p_s平均值为1.93MPa，稍密。

第⑥层，暗绿色粉质黏土，层面埋深约为26.0m，平均层厚3.0m（局部为2m），p_s平均值为2.71MPa，可塑，中等压缩性。

第⑦₁层，草黄色砂质粉土，层面埋深约29.0m，平均层厚2.0m，p_s平均值5.31MPa，状态中密，但该层层厚较薄。

第⑦₂层，草黄色粉砂，层面埋深约31m。

地下水主要为浅层的潜水，水位变化主要受降水，大气蒸发和河水的影响，水位随季节变化而变化，水位埋深一般为0.3～1.5m。

工程区地震基本烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.10g，地震分组为第一组，地基无地震液化问题。排涝泵闸工程位置处地质剖面如图1.2-23所示。

c.基础设计

泵房基础底面的形状应综合比较后确定。该泵房由于进水流道底高程与出水流道底高程相差3.12m，因此，泵房底板有以下两种布置方案：

（1）方案一：折线形底板。折线形底板，即上、下游侧底板不在同一高程。进水流道底板顶面高程为-5.50m，出水流道底板顶面高程为-2.38m；因进水流道底板与出水流道底板高程相差较大，为节省工程量，底板采用折线形布置，底板厚按进出水流道底板跨度确定为1.8m；经布置进水流道底板水平段长15.6m，出水流道底板水平段长9.93m，中间以斜线连接；折线形底板布置如图1.2-24所示。

（2）方案二：平底板。平底板是最常采用的一种底板形式，构造简单，施工方便，对不同的地基有一定的适应性。本泵房因进水流道底板与出水流道底板高程相差较大，可利用高差，局部布置空箱；并利用机组下的空箱作为排水廊道，当需要调整基底应力时，空箱内可填土。平底板布置如图1.2-25所示。

d.方案综合比较

（1）方案比较。平底板和折线形底板方案综合比较详见表1.2-4。

折线形底板在大型泵站中有较多应用实例，如湖南省黄盖湖泵站、上海市太浦河泵站、龙华港泵站和张家塘布置等。其优点是节省工程量，比局部采用空箱式的底板施工简单；缺点是底板受力条件复杂，目前还没有精确的分析计算方法。

（2）地基设计影响方案选择。根据勘察资料可知，泵房出水侧底板坐落在④₁层灰色淤泥质黏土，进水侧底板坐落在第④₂层灰色黏质粉土。经计算，泵房完建期工况，基底应力相对最大，p_max=110.76kPa，p_min=100.27kPa，地基允许承载力为R=70.2kPa，地基承载力不能满足要求。同时，采用分层总和法估算的地基最终沉降量为298mm，沉降量不满足《水闸设计规范》（SL 265）的要求；鉴于地基承载力和沉降均不满足设计要求，因此，有必要对地基进行处理。

根据地基设计需要，以上两种基础形式都还需要采用桩基，在地基采用桩基的情况下，平底板没有明显优点；因为出水流道基础持力层为淤泥质黏土，开挖困难，局部空箱的平底板，增大了土方开挖。

综合以上分析比较，在地基需要处理的情况下，折线形底板施工简单，土方开挖量小，因此，本阶段设计推荐折线形底板。

泵房底板采用折线形，按以上布置和下部结构尺寸需要，底板垂直于水流向宽度为29.7m，顺水流向长度为38.0m，底板厚1.8m。底板尺寸虽然超过《泵站设计规范》（GB 50256—2010）对土基上最大尺寸35m的要求，但根据类似工程经验，可以通过设置后浇带、调整混凝土的配合比和埋管降温等施工措施，能有效地防止和减少温度变化和混凝土干缩引起的裂缝。

三、基础结构的影响因素分析

1.影响基础结构的因素

影响基础结构的因素很多，有上部结构形式、地质条件和施工方法等，但就单项工程来说，往往只是其中一两种因素起决定作用。

水工基础中影响结构形式的主要因素，是基础结构形式和挡水结构的特征。以下以泵房为例，对影响基础结构的因素进行剖析。

泵房按基础和泵房内是否可以进水分为分基型、干室型、湿室型和块基型，影响泵房结构类型的因素有：①水泵机组的类型及容量；②水源及外河水位变化；③站址处的地质条件；④枢纽布置方案；⑤采用建筑材料及施工条件。其中前三者是主要影响因素。

2.基础形式与上部结构的关系

从以上论述不难看出，泵房结构包括基础结构，而基础结构显示出泵房结构的类型，泵房结构也决定了基础结构类型，两者相互影响。泵房形式与基础结构形式是互相影响的关系，如框图1.2-26所示。

对于安装中、小型卧式水泵的泵房，因单机流量小，有效吸程大，在水源水位变幅较小时，不需要水下结构，故采用最简单和经济的分基型泵房。

随着水泵口径和水源水位变幅的加大，一方面机组基础的单位面积重量增大；另一方面泵房要防止外水渗入，故需要将机组基础和泵房基础合建成一封闭的干室，从而形成了干室型泵房。

如果干室型泵房较深，则不利于通风、采光和防潮，同时要承受较大的浮力和侧向压力，会使工程造价提高，这时采用立式机组比较合理。立式泵为了启动方便，将叶轮淹没于最低水位以下一定深度，这就使得进水池移至泵房下部，形成湿室型泵房。

当水泵流量很大时，要求进水流态更加均匀、对称，需要用专门设计的进水流道来改善水泵的进水条件。同时，因机组尺寸及重量大，泵房的受力及结构复杂，对其整体性和稳定性要求较高，便将泵房下部连同进水流道整浇成大块状基础，使之成为块基型泵房。由于块基型结构整体性好，可适用于各种地基条件。

由以上分析可以看出，中、小型泵站泵房多为筏形基础，大型泵站泵房多为块基型基础，影响泵房结构类型的因素，同样影响泵房基础结构类型。基础结构是泵房结构的重要组成部分。

例如，在离心泵或混流泵站中，在最高进水位不超过水泵安装高程时，一般采用分基型泵房。进水侧多为浆砌块石护坡或直立式翼墙，后者可建成单独的进水池，进水条件较好，且进水管路较短。在进水位变幅超过水泵吸程或为了启动方便，离心泵站也可以采用半落井和全落井的干室型泵房。轴流泵站多为湿室型泵房，一般采用墩墙式结构，每台泵有单独的进水池。也有一些站采用框架式结构，一般多为预制构件，施工进度较快。对一些地基较差的地区也可以考虑采用桩基结构。这种结构形式一般仅适用于机组较少的小型泵站。

综上所述，泵型影响着泵房结构，在进行泵型比选时，应结合相应的泵房结构形式进行综合比选，而泵房结构形式又影响泵房基础结构类型。