大型水閘連續(xù)反拱底板加固技術(shù)研究

周燦華，樊 旭，蔡 平

（江蘇省江都水利工程管理處，225200，江都）

一、問題的提出

太平閘是淮河入江水道的大型控制工程之一，建于20世紀(jì)70年代初期。該閘建設(shè)時(shí)為了節(jié)省投資，進(jìn)行了不少設(shè)計(jì)革新，采用了當(dāng)時(shí)推廣的反拱底板正拱公路橋（工作便橋）、漿砌塊石閘墩、混凝土薄殼閘門等特殊的結(jié)構(gòu)形式。全閘共24孔，每孔凈寬6.0 m，閘室總寬167 m。閘底板為混凝土連續(xù)反拱結(jié)構(gòu)，24孔不分縫，并與岸墻連成整體。該結(jié)構(gòu)形式對(duì)水閘不均勻沉降的適應(yīng)能力明顯不足，容易導(dǎo)致底板出現(xiàn)裂縫等隱患。2009年檢查發(fā)現(xiàn)該閘10號(hào)孔閘室內(nèi)有一條順?biāo)飨蛲ㄩL裂縫，寬度約1 mm，裂縫有多處混凝土剝落現(xiàn)象。

為了分析評(píng)估閘底板的安全狀況，在建立閘室地基系統(tǒng)三維有限元模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)太平閘長期垂直位移觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地基的變形模量進(jìn)行了反分析，進(jìn)而采用三維有限單元法對(duì)該閘地基系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)力變形分析。分析計(jì)算結(jié)果表明：由于10號(hào)底板部分開裂，系統(tǒng)順河向位移、豎向位移有小幅增加，有15孔反拱底板最大拉應(yīng)力值超過了混凝土（強(qiáng)度等級(jí)為C18）的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度（1.02MPa）；在假定閘底板出現(xiàn)完全貫通這一最不利的條件下，豎向、橫河向位移將有很大程度的增加，對(duì)水閘的安全會(huì)產(chǎn)生極為不利的影響，必須采取必要的工程加固措施來防止底板裂縫完全貫通這一極端情況的出現(xiàn)。從確保建筑物安全的角度出發(fā)，需要研究采取反拱底板抗裂加固措施，盡快消除工程隱患。

二、反拱底板加固技術(shù)方案

通過對(duì)太平閘多年來的底板沉降資料分析，近20年來閘底板沉降量值變化已很小，且趨勢(shì)基本相同，表明該閘沉降已趨于穩(wěn)定，為底板進(jìn)行加固處理創(chuàng)造了條件。鑒于連續(xù)反拱結(jié)構(gòu)是底板起裂的主要誘因，從改變反拱結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，采用將反拱填平的方案進(jìn)行底板抗裂加固，即采取澆筑C25混凝土將閘室下游側(cè)反拱底板填平，頂面高程與閘門底檻相同。

為保證新老混凝土接合面強(qiáng)度，將老混凝土表面鑿毛，打錨筋孔，植錨筋(直徑 16 mm、間距 60 cm)，錨筋采用藥卷錨固劑錨固。同時(shí)在混凝土面層布置鋼筋網(wǎng)格(直徑橫向14 cm、縱向 16 mm，間距均為 20 cm)，以提高新澆混凝土的整體性和抗沖刷能力。

為了評(píng)價(jià)底板加固方案的有效性，同樣建立了加固處理后的三維有限元整體仿真數(shù)值計(jì)算模型，采用三維彈性有限元分析方法進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，在整體加固條件下，底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力場相對(duì)于未加固前有明顯改善，主拉應(yīng)力極值有相當(dāng)程度的減小，整體底板結(jié)構(gòu)的最大主拉應(yīng)力值僅為0.887 MPa，均低于對(duì)應(yīng)混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（1.02 MPa），表明采用將反拱底板填平的加固措施成效十分明顯，加固后結(jié)構(gòu)安全性基本能得到保證。

三、反拱底板加固施工方案

1.施工方案比選

由于底板完全處于水下，選擇怎樣的施工方式對(duì)施工質(zhì)量、投資、安全、工期等方面都有很大的影響。該閘河面較寬(最寬 200多 m),施工期下游側(cè)最大水深在6 m左右，如采取上游側(cè)用閘門擋水，在下游側(cè)筑土圍堰的方法施工，筑壩土方需近5萬m3。該閘地處揚(yáng)州市廣陵區(qū)，企業(yè)和民用建筑密集，經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，在該閘附近已很難找到合適的土源和棄土區(qū)，如果遠(yuǎn)距離取土、棄土，不僅打壩、拆壩困難，而且投資也較大,宜優(yōu)先考慮其他施工方案。參照類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)全過程水下施工和干法施工兩種方案進(jìn)行比選(見表 1)。

通過對(duì)以上兩種施工方案的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全等方面的綜合比選分析，首選干法施工方案。為了保證施工期間工程的安全，需要針對(duì)該方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全復(fù)核計(jì)算分析，并研究制訂相應(yīng)的防范措施。

2.施工期結(jié)構(gòu)安全計(jì)算分析

針對(duì)太平閘底板加固干法施工方案，重點(diǎn)復(fù)核分析在閘室抽干后漿砌塊石閘墩和反拱底板結(jié)構(gòu)的安全性。

①計(jì)算工況的選擇。計(jì)算工況選擇最不利的組合，即4套鋼板圍堰隔孔布置，同時(shí)施工。該閘上游水位變化較小，下游水位每天隨長江潮位不斷變化。在對(duì)該閘多年水位觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，施工時(shí)段選擇在長江枯水季 （11月中下旬至下年2月）閘下游水位較低的時(shí)段，下游計(jì)算水位2.5 m（廢黃河口零點(diǎn)，下同），上游取正常水位5 m。這樣不僅可減小閘室抽干后對(duì)底板結(jié)構(gòu)安全的不利影響，而且能降低圍堰的擋水高度，減輕鋼圍堰重量，節(jié)省投資，也方便吊運(yùn)施工。

②復(fù)核計(jì)算成果。針對(duì)上述施工工況，在建立相應(yīng)的施工期三維有限元仿真計(jì)算分析模型的基礎(chǔ)上，對(duì)施工期的閘墩和反拱底板應(yīng)力變形狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析。其成果主要為：閘墩總體均處于受壓狀態(tài)，抗拉裂安全可以得到保證；在各施工階段，除3號(hào)、22號(hào)、23號(hào)孔外，其他各孔反拱底板的主拉應(yīng)力極值均未超過反拱底板混凝土（強(qiáng)度等級(jí)為C 18）的極限抗拉強(qiáng)度（1.62 MPa），抗拉裂安全可以得到保證，表明閘室抽干施工方案總體上是可行的。但3號(hào)、22號(hào)、23號(hào)孔反拱底板在施工期間的主拉應(yīng)力 極 值 分 別 為 1.64 MPa、1.71 MPa、1.78 MPa，超過了反拱底板混凝土的極限抗拉強(qiáng)度。為了確保施工期原結(jié)構(gòu)的抗裂安全，需要采取一定的工程措施來降低上述主拉應(yīng)力極值。

四、施工期安全防范措施

依據(jù)復(fù)核計(jì)算成果，結(jié)合工程結(jié)構(gòu)和施工條件，充分研究分析了閘室抽干后可能出現(xiàn)的安全隱患，認(rèn)為需重點(diǎn)關(guān)注兩方面的問題：一是因閘墩和底板結(jié)構(gòu)受力發(fā)生變化，要避免結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞；二是由于該閘底板下游側(cè)橫向伸縮縫未設(shè)置止水裝置，在圍堰抽水后要避免出現(xiàn)滲透破壞現(xiàn)象。因此必須采取相應(yīng)的安全防范措施。

①設(shè)置底板局部壓重，改善底板受力狀況。為了降低施工期間反拱底板主拉應(yīng)力，考慮經(jīng)濟(jì)性和可操作性，施工時(shí)將反拱底板分內(nèi)、外兩次施工，第一次施工內(nèi)側(cè)半孔，其間在外側(cè)反拱底板上面設(shè)置橡膠水袋壓重，其荷載標(biāo)準(zhǔn)為9 800 Pa，總荷載約300 kN。通過三維有限元計(jì)算和對(duì)比分析，認(rèn)為采取局部壓重對(duì)底板受力狀況的改善有一定效果。雖然設(shè)置壓重對(duì)閘墩受力狀況及底板整體的應(yīng)力分布規(guī)律影響很小，但反拱底板的主拉應(yīng)力極值均有所降低，3號(hào)、22號(hào)、23號(hào)孔反拱底板的主拉應(yīng)力極值分別減小為 1.529 MPa、1.671 MPa、1.639 MPa，#22、#23 孔反拱底板的主拉應(yīng)力極值仍略超過反拱底板混凝土的極限抗拉強(qiáng)度。鑒于量值較大的主拉應(yīng)力區(qū)分布范圍較小，且底板配筋可在一定程度上提高底板的極限抗拉能力，底板的強(qiáng)度安全仍可基本得到保證。另外，擬將底板應(yīng)力較大的3號(hào)、22號(hào)、23號(hào)孔選擇在長江枯水期水位較低的時(shí)段實(shí)施，可進(jìn)一步降低底板的主拉應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)的安全性。

表1 施工方案比選表

②優(yōu)化鋼圍堰結(jié)構(gòu)，避免發(fā)生滲透破壞。參照類似工程施工常規(guī)做法，太平閘底板抽干施工可在閘墩下游側(cè)設(shè)置U形鋼圍堰擋水，擋水鋼板布置在迎水面，將圍堰開口面向閘孔，兩邊支在閘墩上。但由于該閘底板下游側(cè)橫向伸縮縫沒有設(shè)置止水，采用U形鋼圍堰在閘室抽干后伸縮縫容易出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，為安全起見，將鋼圍堰擋水板布置在內(nèi)側(cè)，受力桁架布置在迎水面，這樣可保證伸縮縫處在擋水鋼板外側(cè)，從而完全避免閘室抽干后對(duì)伸縮縫產(chǎn)生不利的影響。

五、底板加固方案實(shí)施效果

按照上述反拱底板加固方案，首先在12號(hào)孔進(jìn)行了施工試驗(yàn)。施工流程主要為：①鋼圍堰吊裝就位；②在外側(cè)半塊底板放置壓重橡膠水袋；③圍堰抽水、堵漏；④內(nèi)側(cè)半塊底板施工（閘底板表面鑿毛、植鋼筋并布設(shè)鋼筋網(wǎng)、澆筑混凝土并養(yǎng)護(hù)）；⑤搬移壓重橡膠袋；⑥外側(cè)半塊底板施工（閘底板表面鑿毛、植鋼筋并布設(shè)鋼筋網(wǎng)、澆筑混凝土并養(yǎng)護(hù)）；⑦拆除鋼圍堰。

在底板施工前，對(duì)閘底板現(xiàn)狀進(jìn)行認(rèn)真檢查，并做好影像記錄，以直觀地了解反拱底板最新情況，印證多年檢查觀測(cè)結(jié)果。

通過現(xiàn)場實(shí)施情況看，加固方案可行，施工方便，工序簡單，工期較短，施工質(zhì)量良好，完全滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

[1]江蘇神龍海洋工程有限公司.太平閘水下錄像檢查報(bào)告[R].2008.

[2]河海大學(xué).太平閘連續(xù)反拱底板施工期結(jié)構(gòu)三維有限元計(jì)算報(bào)告[R].2011.

[3]江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司.太平閘底板裂縫加固工程初步設(shè)計(jì)[R].2011.