開口雙壁鋼圍堰在南津渡水閘加固工程中的應(yīng)用

(湖南百舸水利建設(shè)股份有限公司，湖南 長沙 410007)

自20世紀(jì)70年代九江長江大橋首次采用雙壁鋼圍堰施工深水基礎(chǔ)以來，雙壁鋼圍堰已在我國的橋梁深水基礎(chǔ)施工中得到廣泛應(yīng)用[1]。雙壁鋼圍堰往往采用平面對稱環(huán)向封閉結(jié)構(gòu)，其自身剛度大，適用于深水和淺覆蓋層河床中的獨(dú)立基礎(chǔ)施工，國內(nèi)外對于這種結(jié)構(gòu)的研究成果眾多，技術(shù)較為成熟。而一側(cè)開口的雙壁鋼圍堰則在工程中極少應(yīng)用，沒有相關(guān)研究文獻(xiàn)可供參考。在南津渡水閘的加固中，創(chuàng)新性地應(yīng)用了開口雙壁鋼圍堰，既解決了工程難題，也為這種鋼圍堰的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 工程背景

南津渡水庫大壩樞紐工程位于湖南省永州市芝山區(qū)境內(nèi)瀟水末端羊公灘處，樞紐由溢流壩、土壩、引水式廠房、升船機(jī)等建筑物構(gòu)成。溢流壩為閘壩，共設(shè)置18孔弧門，弧門尺寸為10m×9.5m(寬×高)。水庫正常蓄水位114m，堰頂高程103m，溢流面頂高程105m。由于閘壩段未設(shè)置檢修閘門，因此工程自1993年竣工以來，弧門和閘室均未進(jìn)行過大修，嚴(yán)重影響到結(jié)構(gòu)使用壽命，給閘壩運(yùn)行帶來一定安全隱患。

為解決以上問題，設(shè)計在弧門上游增加平板檢修閘門。為設(shè)置檢修閘門門槽，須將現(xiàn)有閘墩上游180cm長的圓弧段予以切除，并重新澆筑280cm門槽段和閘墩上游圓弧段。

2 圍堰方案的選取

原設(shè)計施工導(dǎo)流方案為：分兩期施工導(dǎo)流，圍堰形式為土石圍堰，每期圍9孔，由其余9孔進(jìn)行泄流。為保證水庫泄洪安全，須將水庫水位降低至死水位110.2m，水位降低后將會帶來以下問題：

a.影響城市供水。南津渡水廠目前承擔(dān)零陵區(qū)河?xùn)|片區(qū)的供水任務(wù)，若將水位降低，自來水廠取水將會受到嚴(yán)重影響。

b.影響發(fā)電效益。經(jīng)測算，將水位降低后，施工期發(fā)電損失約4093萬元。

鑒于以上問題及防洪和環(huán)保等方面的原因，須對原施工導(dǎo)流方案進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)多方案比較后，最終確定采用開口雙壁鋼圍堰作為本工程施工導(dǎo)流方案。雙壁鋼圍堰適用于水深較深，覆蓋層較薄，河床相對平坦的情況，加之雙壁鋼圍堰自身剛度大，能較好地適應(yīng)本工程現(xiàn)場條件。

3 工程難點(diǎn)

本工程施工難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三個方面：

a.開口雙壁鋼圍堰與一般的閉合雙壁鋼圍堰相比，內(nèi)部縱橫向桿件傳力途徑較為復(fù)雜，非平面受力狀態(tài)，須進(jìn)行空間三維計算分析。

b.南津渡水庫內(nèi)由于交通條件受限，施工機(jī)械難以進(jìn)入，圍堰的拼裝就位較為困難。

c.鋼圍堰最下端約90cm范圍坎入封底混凝土中，受封底混凝土側(cè)壓力作用，圍堰拆除較為困難。

針對以上難點(diǎn)，在圍堰設(shè)計和實(shí)施過程中采取了相應(yīng)措施。

4 開口雙壁鋼圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 總體設(shè)計

開口雙壁鋼圍堰平面為槽形結(jié)構(gòu)，外形尺寸為12.9m×5.2m×4.9m，壁厚為0.8m，內(nèi)、外面板均采用10mm厚鋼板，內(nèi)部水平向和縱向均采用桁架結(jié)構(gòu)，水平向桁架間距1m，水平向桁架節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置縱向桁架，水平向桁架桿件采用角鋼L100×10，豎向桁架桿件采用槽鋼[14a。

鋼圍堰開口側(cè)與閘墩側(cè)面留有10cm間隙，圍堰就位后采用壓漿工藝向10cm間隙中注入水泥漿，達(dá)到止水的目的。

4.2 計算分析

開口雙壁鋼圍堰不像閉合鋼圍堰那樣，在水壓力作用下水平向環(huán)形桁架能夠形成一個自我平衡的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。本工程圍堰擋水深度為11m，閘墩寬度2m，在閘墩寬度范圍內(nèi)圍堰開口寬度2.2m，不平衡水壓力達(dá)1331kN，圍堰在上下部支撐條件下，屬空間受力狀態(tài)，須進(jìn)行三維建模分析，以確定圍堰的受力和變形狀態(tài)。

采用sap2000有限元軟件進(jìn)行建模計算，桿件選用框架單元，面板選用板單元。有限元模型見圖2。

4.2.1 邊界約束條件

圍堰底部施加豎向約束，與封底混凝土和閘底板側(cè)向接觸的圍堰單元添加垂直于側(cè)面的約束，圍堰開口側(cè)與閘墩側(cè)面之間施加垂直閘墩側(cè)面的約束，上部支撐梁位置添加順?biāo)鞣较蚣s束。

4.2.2 施加荷載

在圍堰外側(cè)自高程114.5m以下通過節(jié)點(diǎn)樣式添加水壓力，圍堰考慮自重，圍堰壁內(nèi)施加充水重量。圍堰采用極限承載能力計算法，自重分項(xiàng)系數(shù)為1.2，水壓力分析系數(shù)1.4，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。

圖1 開口雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)

圖2 圍堰有限元模型

4.2.3 應(yīng)力計算結(jié)果

應(yīng)力計算結(jié)果見圖3，在圍堰懸臂端和轉(zhuǎn)角處應(yīng)力較大，最大von mises應(yīng)力達(dá)到280MPa，其余部位應(yīng)力均小于200MPa，圍堰材料采用Q345B，極限承載能力為315MPa，強(qiáng)度滿足要求。

4.2.4 變形計算結(jié)果

變形計算結(jié)果見圖4，最大位移為7.7mm，發(fā)生在高程107m位置的水平桁架上，此高程也是圍堰所受水壓力的合力作用點(diǎn)。最大容許變形L/600[2]，圍堰跨度為5200mm，最大容許變形為8.7mm，變形滿足要求。

圖3 圍堰von mises應(yīng)力云圖

圖4 圍堰變形云圖

5 圍堰的拼裝就位

鑒于水庫內(nèi)無法進(jìn)入大型吊裝設(shè)備，為將鋼圍堰拼裝就位，通過在現(xiàn)有閘墩上搭建一整套臨時設(shè)施以保證拼裝就位工作的順利完成。臨時設(shè)施由鋼便橋、簡易吊機(jī)桁架、拼裝平臺和水上浮式平臺等組成，見圖5。

圖5 臨時設(shè)施布置

5.1 鋼圍堰分節(jié)分塊

由鋼便橋上25t汽車吊完成鋼圍堰的吊裝，由于受到水閘上部啟閉機(jī)排架的限制，汽車吊吊臂仰角較小，最大吊重僅為15t。鋼圍堰總重約90t，因此必須對鋼圍堰進(jìn)行分節(jié)分塊后吊裝。經(jīng)計算，鋼圍堰順高度方向分三節(jié)，第一節(jié)高度3.9m，第二節(jié)高度4m，第三節(jié)高度5m；每節(jié)沿著水平方向又分為3塊，分別為兩側(cè)單元和端部單元。通過分節(jié)分塊后，鋼圍堰分塊最大重量為13t，能夠滿足汽車吊起吊要求。

5.2 鋼圍堰拼裝就位程序

鋼圍堰在工廠分塊制作后運(yùn)至施工現(xiàn)場進(jìn)行拼裝，具體拼裝步驟如下：

a.搭設(shè)拼裝平臺和水上浮式平臺。拼裝平臺通過頂部6道縱梁與鋼便橋可靠連接，下部通過三根立柱支撐于水閘堰頂，為保證拼裝平臺的安全可靠，平臺四個角通過20t手動葫蘆懸掛在啟閉機(jī)排架的臨時吊耳上。水上浮式平臺采用4根6m長直徑1000mm的鋼管作為浮體，采用雙層設(shè)計，以保證平臺浮力，浮式平臺主要作為作業(yè)人員操作平臺和鋼圍堰第一節(jié)拼裝后輔助下水用。

b.安裝簡易吊機(jī)。簡易吊機(jī)由兩榀桁架組成，下部通過橫穿閘墩的直徑為100mm的鋼棒支撐，上部兩榀桁架之間通過剪刀撐連接，連接均采用鉸接，便于安裝和拆除，有利于在各閘墩重復(fù)利用。

c.鋼圍堰最底節(jié)拼裝。最底節(jié)3塊由汽車吊吊至簡易吊機(jī)桁車操作范圍，由桁車吊至拼裝平臺上，通過簡易吊機(jī)和手動葫蘆牽引，并調(diào)節(jié)拼裝位置后進(jìn)行焊接，焊接完成后進(jìn)行滲透性試驗(yàn)。

d.鋼圍堰最底節(jié)下水。待最底節(jié)拼接完成后，通過簡易吊機(jī)桁車和20t手動葫蘆牽引移動入水，并向空腔中灌水下沉，直至圍堰頂離水面0.5m止。

e.鋼圍堰中間一節(jié)拼裝及下水。將中間節(jié)三塊在拼裝平臺焊接后，吊至最底節(jié)上部進(jìn)行分節(jié)焊縫的焊接，后進(jìn)行滲透性試驗(yàn)，檢驗(yàn)后充水下沉。

f.最上節(jié)操作方法同中間節(jié)。

g.鋼圍堰拼裝好后通過簡易吊機(jī)牽引就位。

5.3 封底混凝土

在封底混凝土澆筑前先對河床淤泥和砂礫進(jìn)行清理。封底混凝土的高度為從河床面至水閘堰頂高程。封底混凝土厚度計算公式：封底混凝土自重+鋼圍堰自重+黏結(jié)力≥1.2×浮力[3]，計算過程略去，經(jīng)計算封底混凝土厚度滿足要求。

6 鋼圍堰拆除

閘墩共19個，圍堰共制作5套，每套圍堰須周轉(zhuǎn)利用3～4次，因此每個閘墩施工完成后對圍堰的拆除質(zhì)量要求較高。為使鋼圍堰在封底混凝土側(cè)壓力作用下能夠順利拆除，事先在鋼圍堰內(nèi)側(cè)壁與封底混凝土接觸的范圍內(nèi)貼2cm厚橡膠板，在圍堰抽干水后，橡膠受水壓力作用緊密壓縮，起到傳遞反力作用，待圍堰拆除時向圍堰內(nèi)充水，則橡膠恢復(fù)變形，圍堰和混凝土可脫開。此外為了保證鋼圍堰能夠順利拆除，在鋼圍堰和閘墩之間加設(shè)了頂撐裝置，見圖6，通過撐桿加力，使鋼圍堰撐開，進(jìn)而將鋼圍堰順利拆除。

7 結(jié) 語

開口雙壁鋼圍堰在水閘加固工程中屬首次使用，從方案的提出到分析計算，以及臨時配套設(shè)施的構(gòu)想，均是大膽假設(shè)小心論證的過程。本方案在南津渡水閘加固中的成功應(yīng)用，避免了采用土石圍堰對城市取水、發(fā)電效益、防洪、環(huán)保等方面造成的不利影響。據(jù)統(tǒng)計，截至2013年2月，全國共有大中型水閘7000余座，大部分修建于20世紀(jì)50—70年代，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，經(jīng)長期運(yùn)行，部分水閘老化失修嚴(yán)重[4]，亟待進(jìn)行除險加固，本方案的應(yīng)用可為類似工程的實(shí)施提供很好的借鑒。

圖6 頂撐裝置