自沉式組合鋼圍堰設(shè)計(jì)

杜春林 毛建華 毛建黨 薛娟娟

摘 要：由于傳統(tǒng)圍堰存在較多不足，難以滿(mǎn)足各地用水需求，因此，本文設(shè)計(jì)了一種自沉式組合鋼圍堰。首先對(duì)組合圍堰的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，然后計(jì)算其在施工作業(yè)過(guò)程中承受的壓力，分析其穩(wěn)定性。結(jié)果表明，該組合圍堰在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上能滿(mǎn)足水壓作用的要求，且能滿(mǎn)足穩(wěn)定性的要求。

關(guān)鍵詞：自沉式組合鋼圍堰；壓力；穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：TV53+8.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）17-0080-03

Self-sinking Composite Steel Cofferdam Design

DU Chunlin MAO Jianhua MAO Jiandang XUE Juanjuan

Abstract： Because there are many deficiencies in the traditional cofferdam， it is difficult to meet the water demand. Therefore， a self centering composite steel cofferdam was designed in this paper. First， the overall structure of the combined cofferdam was briefly introduced， then the pressure on the construction process was calculated， and its stability was analyzed. The results showed that the combined cofferdam could meet the requirements of water pressure in structural design and meet the requirements of stability.

Keywords： self sinking composite cofferdam；pressure；stability

1 設(shè)計(jì)背景概述

在水利工程建設(shè)中，為防止水和泥沙對(duì)建筑物修建位置的影響，常常需要在建筑物修建位置周?chē)孪刃藿▏遊1]。作為臨時(shí)性擋水建筑物，圍堰應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足以下要求：具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的剛度，且具有一定的防滲和抗沖擊能力；構(gòu)造上簡(jiǎn)單，以便圍堰施工和工程結(jié)束后進(jìn)行拆除；布置上應(yīng)順應(yīng)水流，不發(fā)生局部沖刷[2，3]。

傳統(tǒng)圍堰包括草土圍堰、土石圍堰、混凝土圍堰及鋼板樁圍堰等。這些傳統(tǒng)圍堰能滿(mǎn)足多數(shù)水利工程施工的要求。但是，隨著水利工程的發(fā)展，水利施工要求不斷提高，要求設(shè)計(jì)新型圍堰結(jié)構(gòu)。例如，南水北調(diào)中線(xiàn)工程自通水以來(lái)，由于長(zhǎng)期受到水流、泥沙沖擊作用，加之意外事件的發(fā)生，渠道襯砌面板可能出現(xiàn)不同程度的破損。為保證沿線(xiàn)地區(qū)的用水需求，需要在保證其他襯砌面板完整且干渠水流量不變的情況下對(duì)損壞的面板進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)，這是傳統(tǒng)圍堰所不能滿(mǎn)足的[4]。為此，本文設(shè)計(jì)了一種自沉式組合鋼圍堰。

2 自沉式組合鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

南水北調(diào)中線(xiàn)工程環(huán)境復(fù)雜，本文基于其中某段坡比為1∶2的干渠邊坡對(duì)自沉式組合鋼圍堰進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。圖1為圍堰整體結(jié)構(gòu)平面圖，組合鋼圍堰整體由順?biāo)鞣较虻牡走厙?、與水流方向呈60°和120°的兩個(gè)側(cè)邊圍堰及拐角圍堰組成。其中，底邊圍堰和側(cè)邊圍堰均由長(zhǎng)度為2m的單元圍堰組裝而成，單元圍堰又包括圍堰底座、圍堰立柱、擋水鋼板和支撐桿等。為保證有足夠的干地作業(yè)空間，圍堰入水深度為3m，底邊圍堰長(zhǎng)度為16m。

3 載荷計(jì)算及穩(wěn)定性分析

3.1 載荷計(jì)算

在工作狀態(tài)下，正面圍堰和側(cè)面圍堰均受到自身重力、支撐力和水流的靜止力和動(dòng)壓力。

3.1.1 流速。施工方提供的數(shù)據(jù)，干渠橫斷面為上底46m，下底18m，深度7m的等腰梯形，橫斷面積224㎡。設(shè)計(jì)最大流量為265m3/s，最大水流速度v1為1.18m/s。安裝圍堰后，水流橫截面發(fā)生改變，根據(jù)伯努利方程[5]可知：

[P+12ρv2+ρhg=C] （1）

式（1）中，[P]為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)，[v]為流體該點(diǎn)的流速，[ρ]為流體密度，[g]為重力加速度，[h]為該點(diǎn)所在高度，[C]是一個(gè)常量。

圍堰處橫截面積縮小9m2，最大流速增加到[v2]=1.21m/s。

圍堰處橫截面積縮小后會(huì)發(fā)生壅水，邊坡處水流速度減小為零，即[v3]=0m/s。由伯努利方程可知，發(fā)生壅水后壓力勢(shì)能保持不變，速度由[v2]減小為零，則產(chǎn)生壅水高度為：

[Δh=v22-v232g=0.14m] （2）

3.1.2 圍堰承受靜壓力。單位長(zhǎng)度承受靜壓為：

[F=ρ水gL×h22-h21 ]（3）

式中，L為圍堰長(zhǎng)度。

3.1.3 側(cè)面圍堰所受動(dòng)壓為（A為面積）：

[12ρ水v2?A] （4）

3.1.4 圍堰總壓。正面圍堰主要承受靜壓力，由于流速變化不大，動(dòng)壓力可以忽略。側(cè)面圍堰面對(duì)水流流速變化較大，承受動(dòng)壓力和靜壓力兩種力，可按式（5）計(jì)算：

[h1h2（ρ水ghL+12ρ水v2L）dh] （5）

3.2 底座穩(wěn)定性分析

圍堰底邊單元底座受力分為兩種情況：第一，底座吊裝入水后，除與邊坡接觸的底面，其余各面均受到水壓；第二，圍堰組裝完成，圍堰內(nèi)部沒(méi)有水，此時(shí)只有圍堰外部受到水壓[6，7]。

對(duì)于第一種情況，圍堰底邊單元底座受力情況如圖5所示，具體分析如下。

①自身重力G。底座是截面為直角梯形，長(zhǎng)為2m的柱體（底座上矩形槽和立柱孔對(duì)其質(zhì)量影響甚小，忽略不計(jì)）。其中，直角梯形上下底邊分別為0.2m和0.4m，高為0.4m，則底座的體積為：

[V=120.2+0.4×0.4×0.24m3] （6）

鋼材的密度為[ρ鋼]=7 800kg/m3，重力加速度取g=10N/kg。則底座重力為：

[G=ρ鋼Vg=18 720N] （7）

②底座側(cè)向水壓[FP1]。底座左右兩底邊受到側(cè)向水壓，上底邊側(cè)向壓力被下底邊部分水壓相消，即底座側(cè)向水壓為底座位于水深3.3～3.5m處水壓力：

[FP1=h1h2ρ水gh?l?dh=13 600N] （8）

③底座正向水壓力[FP2]。底座上表面與水平面平行，受到水的正向水壓力，該表面入水深度[h3]為3.1m，表面面積A=0.4×2=0.8m2，則底座受到正向水壓力為：

[FP2=ρ水gh3A=24 800N] （9）

④底座對(duì)邊坡壓力[FN]：

[FN=Fp1sinα+G+FP2cosα=45 231.46N] （10）

式中：[α]為邊坡的坡度角。

⑤底座所受邊坡摩擦力[Ff]：

[Ff=G+FP2sinα-Fp1cosα=7 334.8N] （11）

則底座與邊坡的摩擦系數(shù)為：

[f=FfFN=0.16] （12）

此時(shí)，在重力和正向水壓力作用下，底座有向下滑動(dòng)的趨勢(shì)。底座與邊坡的接觸面為固定于底座的橡膠和邊坡的混凝土面板，橡膠與濕混凝土面板間的附著系數(shù)為：[φ=0.4～0.6]。

經(jīng)上述計(jì)算可知，所需摩擦系數(shù)[f≤φ]，即底座與邊坡之間的摩擦力足以保證底座穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)下滑現(xiàn)象。

對(duì)于第二種情況，圍堰底邊單元底座受力情況如圖6所示，具體分析如下。

底座自身重力不變，即[G=18 720N]；但該情況增加了閘門(mén)鋼板及立柱的重力，其中閘門(mén)重力[G1=11 570N]，立柱的重力[G2=4 630N]。

此外，該情況雖然圍堰內(nèi)側(cè)存在少許滲漏積水，但水深較淺，產(chǎn)生的水壓很小，可以忽略不計(jì)。因此，只有圍堰外部受到水的側(cè)壓力，包括底座受到水的側(cè)壓力和閘門(mén)板受到水的側(cè)壓力，其中閘門(mén)板入水深度3m以上的水的側(cè)壓力被支撐桿抵消掉，故單元底座受到總體側(cè)向水壓力為：

[F'P1=h'1h'2ρ水gh?l?dh=32 500N] （13）

由閘門(mén)板受到水的側(cè)壓力傳遞至底座，底座受到總體側(cè)向水壓力應(yīng)為0.8[F'P1]。

底座上表面受到水的正向水壓力，該表面入水深[h3]=3.1m，但此時(shí)只有外側(cè)表面受到水的正壓力，受力面積[A']=0.5A=0.5×0.4×2=0.4m2，則底座受到正向水壓力為：

[F'P2=ρ水gh3A'=12 400N] （14）

則底座對(duì)邊坡壓力[F'N]：

[F'N=0.6F'P1sinα+G+G1+G1+F'P2cosα=54 220.22N] （15）

底座所受邊坡摩擦力[F'f]：

[F'f=G+G1+G1+F'P2sinα-0.6F'P1cosα=2 103.37N] （16）

底座與邊坡的摩擦系數(shù)為：

[f'=F'fF'N=0.04] （17）

此時(shí)，在重力和正向水壓力及側(cè)向水壓力作用下，底座有向上滑動(dòng)的趨勢(shì)。底座與邊坡的接觸面為固定于底座的橡膠和邊坡的混凝土面板，橡膠與濕混凝土面板間的附著系數(shù)為：[φ=0.4～0.6]。

經(jīng)上述計(jì)算可知，所需摩擦系數(shù)[f'≤φ]，即底座與邊坡之間的摩擦力足以保證底座穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)上滑現(xiàn)象。

3.3 圍堰強(qiáng)度剛度分析

為了保證圍堰底座不發(fā)生滑動(dòng)，需要滿(mǎn)足以下公式[8-14]：

[Fp1sinα-G+FP2cosα≤Fφ] （18）

式中：[Fp1sinα]為作用在圍堰上水的側(cè)壓力沿邊坡向上的分力；[G+FP2cosα]為單位長(zhǎng)度圍堰重力及底座上表面受到的正向水壓力沿邊坡向下的分力；[Fφ]是沿邊坡的附著力。

由計(jì)算可知，底座下部橡膠和邊坡面板之間足以提供較大的摩擦力以滿(mǎn)足底座固定要求。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)傳統(tǒng)擋水圍堰的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，為設(shè)計(jì)出自沉式組合鋼圍堰奠定了基礎(chǔ)。對(duì)設(shè)計(jì)的圍堰平面結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，對(duì)組合圍堰在渠道內(nèi)進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)所承受的外界壓力及穩(wěn)定性進(jìn)行理論計(jì)算。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的自沉式組合鋼圍堰能滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。

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