套閘閘室施工期的穩(wěn)定性驗(yàn)算

戴康程 祁偉洪

（常州市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江蘇 常州 213001）

1 概述

水工建筑物設(shè)計(jì)質(zhì)量的控制，貫穿整個(gè)水工建筑物規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工的全過(guò)程。

在水工建筑物的設(shè)計(jì)中，作用于建筑物上的荷載組合一般分為基本組合和特殊組合兩種。按計(jì)算情況基本組合可分為完建、設(shè)計(jì)情況等，特殊組合可分為校核、地震、施工情況等。設(shè)計(jì)及審核人員一般對(duì)荷載基本組合中的完建、設(shè)計(jì)和特殊組合中的檢修、校核、地震情況較為重視，而對(duì)施工期中荷載的變化及其對(duì)建筑物的影響往往重視不夠或根本未予考慮，從而影響到建筑物的安全，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致事故甚至毀壞。

如：江蘇省某縣在上世紀(jì)70年代末興建一蓄水池時(shí)，施工過(guò)程中該池底板、側(cè)墻、導(dǎo)流墻均已完成，在頂板及板頂壓土尚未施工的情況下回填池壁外四周土，因未采取有效的降排水措施，地下水位隨之上升過(guò)高，浮托力過(guò)大，導(dǎo)致導(dǎo)流墻隆起、底板斷裂毀壞的嚴(yán)重事故。因此，設(shè)計(jì)、監(jiān)理及施工單位必須對(duì)施工過(guò)程中荷載的變化情況及其對(duì)水工建筑物的影響予以足夠的重視，確保水工建筑物在施工期的絕對(duì)安全。

2 穩(wěn)定性驗(yàn)算實(shí)例

以上簡(jiǎn)單介紹的是水工建筑物在施工期過(guò)程中因底板強(qiáng)度發(fā)生問(wèn)題，從而導(dǎo)致毀壞的一個(gè)工程實(shí)例，下面舉一實(shí)例通過(guò)分析計(jì)算說(shuō)明水工建筑物施工期穩(wěn)定性驗(yàn)算的必要性。

位于江蘇省境內(nèi)的某套閘，閘室凈寬12 m、長(zhǎng)110 m。為節(jié)省造價(jià)，閘室采用兩塊輕型鋼筋混凝土扶壁（立墻）—懸臂（底板）式結(jié)構(gòu)，中間設(shè)縫并用硬木塊對(duì)頂（詳見(jiàn)圖1）。整個(gè)底板下浮托力產(chǎn)生的上浮力及傾覆力矩由直立墻后小底板上的填土壓重及直立墻后的水、土壓力來(lái)平衡，而直立墻后水、土壓力產(chǎn)生的閘室滑移則由底板下的摩阻力及縫間硬木塊的對(duì)頂作用來(lái)平衡。在閘室施工過(guò)程中，地下水位隨著閘室兩側(cè)回填土上升而上升，由于閘室為鋼筋混凝土扶壁—懸臂式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)自身重量輕，所以就有可能出現(xiàn)在施工期的某一段時(shí)間內(nèi)因地下水的浮托力產(chǎn)生的上浮力超過(guò)結(jié)構(gòu)自重加回填土壓重，或是地下水浮托力的傾覆力矩超過(guò)直立墻后水土壓力的平衡力矩，從而使底板浮起或中縫處翹起，拉斷中縫處止水銅片、對(duì)頂硬木塊錯(cuò)位等，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)閘室結(jié)構(gòu)的毀壞。這種情況往往也是設(shè)計(jì)單位很容易忽略的。

施工過(guò)程中要避免以上情況的發(fā)生，第一種方案是可降低地下水位并一直保持在底板底面以下，但由于整個(gè)施工期較長(zhǎng)，底板一般又埋置較深，這樣勢(shì)必會(huì)增大施工難度及排水費(fèi)用，所以一般不采取該方案。第二種方案是隨著回填土的上升，使用臨時(shí)降水設(shè)備或利用閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中閘室墻外的排水設(shè)施，適度控制地下水位，并通過(guò)計(jì)算來(lái)確定在閘室中預(yù)放一定重量的水或土等荷載壓重，以達(dá)到閘室在施工過(guò)程中的抗浮、抗傾穩(wěn)定。

經(jīng)設(shè)計(jì)、監(jiān)理與施工單位討論研究后確定，套閘閘室結(jié)構(gòu)施工期擬采用上述第二種方案實(shí)施?；靥钔撩娓叱淘谡娓?.6 m 以下時(shí)，采取臨時(shí)降水設(shè)備使地下水位低于回填土面40 cm 以下；在回填土面真高達(dá)1.6 m 以上時(shí)，利用設(shè)計(jì)中閘室墻外位于真高1.2 m 的排水暗管接至下游壩頭外低水位排水，使地下水位始終保持在真高1.2 m。

圖1 套閘閘室橫剖面圖（懸臂-扶壁式結(jié)構(gòu)）

以下即按上述方案進(jìn)行抗浮抗傾計(jì)算。計(jì)算中土壓力系數(shù)的確定：由于閘室底板下浮托力的傾覆力矩是使閘室墻向回填土方向傾斜，所以采用主動(dòng)土壓力系數(shù)顯然是不合適的；如采用被動(dòng)土壓力系數(shù)，則閘室墻應(yīng)繞墻后趾有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)，這將導(dǎo)致閘室中縫處底板翹起而拉斷止水銅片、錯(cuò)開(kāi)對(duì)頂硬木等，同樣是不妥當(dāng)?shù)?；只有保持閘室墻不向臨土面方向移動(dòng)或傾斜，才能保證閘室底板中縫處及整個(gè)閘室結(jié)構(gòu)的安全，故應(yīng)采用靜土壓力系數(shù)。該處回填為砂性土，采用靜土壓力系數(shù)K=0.5。計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)抗浮、抗傾計(jì)算表1、表2。

從表1、表2 可知，采取以上控制地下水位的措施下回填土，在整個(gè)施工過(guò)程中抗浮是完全滿足要求的；但在回填土面高程達(dá)1.6 m、地下水位高程在1.2 m 時(shí)抗傾覆安全系數(shù)Km最小，僅為0.928，不滿足要求。此時(shí)應(yīng)在閘室內(nèi)采取一定壓重措施來(lái)使抗傾覆安全系數(shù)Km大于或等于1.05。經(jīng)計(jì)算得：如在閘室內(nèi)放入一部分水至真高-0.8 m，可使Km=1.057，或填上一部分土至真高-1.0 m，可使Km=1.065?？紤]到放水雖較簡(jiǎn)便，但后面必有一段時(shí)間的施工要成天涉水進(jìn)行，不方便，故本處采用閘室內(nèi)填土壓重的方案，按計(jì)算填至真高-1.0 m，每米斷面土方僅2.4 m3，全閘共264 m3。且填土在閘室內(nèi)縱向形成了一平整的施工通道（原為V 形雙鈄面），方便了施工，并保護(hù)了閘室縱向及部分橫向接縫處混凝土棱角免遭施工破損，實(shí)施結(jié)果及各方面反映均很好。

另一項(xiàng)閘室穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)為抗滑穩(wěn)定計(jì)算。由于閘室采用兩塊底板對(duì)頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，所以閘室墻后的水土壓力可通過(guò)對(duì)頂達(dá)到相互平衡。施工過(guò)程中原則上只要閘室墻外兩側(cè)回填土的高差產(chǎn)生的土壓力之差不超過(guò)閘室底板下的摩阻力即可，但實(shí)際施工中仍以閘室墻外兩側(cè)對(duì)稱(chēng)均勻回填為好。

從抗浮抗傾計(jì)算表1、表2 中可看到，在閘室施工回填土過(guò)程中，雖然采取臨時(shí)降水措施使地下水位低于回填土面以下，但地下水位隨著兩側(cè)回填土面上升而上升，抗浮、抗傾系數(shù)由大到小、再由小變大不斷變化，最終在回填土達(dá)到設(shè)計(jì)高程時(shí)滿足有關(guān)規(guī)范的要求，然而在施工過(guò)程中有某一段時(shí)間是不滿足要求的，所以必須采取相應(yīng)措施（壓土），以確保建筑物在施工期的絕對(duì)安全。

圖2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

表1 抗浮抗傾計(jì)算表

表2 抗浮抗傾計(jì)算表

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，由于多種原因，水利工程專(zhuān)業(yè)施工隊(duì)伍素質(zhì)參差不齊、借用資質(zhì)現(xiàn)象普遍，個(gè)別施工單位對(duì)施工過(guò)程中各階段的控制不夠重視，致使許多水利工程在設(shè)計(jì)上雖并無(wú)問(wèn)題，但卻在施工中發(fā)生了事故。究其原因，大部分為施工單位對(duì)施工設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)的設(shè)計(jì)、施工規(guī)范規(guī)程理解不透、執(zhí)行不力，尤其是降排地下水及回填土方面。因此，設(shè)計(jì)單位必須重視水工建筑物在施工期中的強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算，盡可能制定出詳盡的施工組織設(shè)計(jì)，并毫無(wú)保留地提供給監(jiān)理及施工單位，有條件時(shí)應(yīng)派駐代表在工地協(xié)調(diào)施工方案的正確貫徹執(zhí)行，使水工建筑物質(zhì)量控制，真正貫穿整個(gè)水工建筑物規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工的全過(guò)程，從而有效確保水工建筑物的整體質(zhì)量。

［1］水閘設(shè)計(jì)規(guī)范（SL265-2001）［S］.

［2］水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范（SL379-2007）［S］.