大跨徑水閘底板結(jié)構(gòu)型式分析

王 潔楊 寧張耀乾

（1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇南京 210022；2.南京市棲霞區(qū)水利局，江蘇南京 210005；3.南京市棲霞區(qū)龍?zhí)掇k事處水利管理服務(wù)站，江蘇南京 210057）

隨著工程技術(shù)水平的不斷提高，水閘單孔凈寬逐漸擴(kuò)大到20～40 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以往10 m左右及以下跨徑，且有的水閘為單塊整底板，即超出了《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的分段長(zhǎng)度。而底板作為水閘最重要的基礎(chǔ)部件，其結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足功能需要并保證結(jié)構(gòu)的安全及長(zhǎng)期穩(wěn)定，因此，對(duì)大跨徑底板結(jié)構(gòu)型式的研究是十分有必要的，對(duì)水閘工程的發(fā)展具有重要意義。

1 大跨徑水閘底板結(jié)構(gòu)類型

1.1 實(shí)體結(jié)構(gòu)底板

實(shí)體底板是傳統(tǒng)的水閘底板結(jié)構(gòu)型式之一，大跨徑水閘中同樣可以采用此種型式。具體實(shí)例如：南京三汊河口閘，見圖1，共2孔，單孔凈寬40 m，底板厚2.5 m；無(wú)錫江尖水利樞紐節(jié)制閘，共3孔，單孔凈寬25 m，底板厚2.5 m；南京劃子口河閘，共1孔，凈寬30 m，底板厚2.5 m。3座水閘每孔均為獨(dú)立整底板，沉降縫位于閘墩之間，底板不設(shè)縫。

1.2 鋼筋混凝土空箱結(jié)構(gòu)底板

鋼筋混凝土空箱底板為一種較新穎的結(jié)構(gòu)型式，利用空箱部分，其在減小底板實(shí)體厚度的同時(shí)又增加了剛度。具體實(shí)例有：淮安楚州控制工程節(jié)制閘，見圖2，共1孔，凈寬30 m，底板總厚度為3.8 m，其中，空箱高度為2.2 m，上下層面板均為0.8 m厚；南京中山河閘，采用閘壩結(jié)合的結(jié)構(gòu)型式，中間為一單孔水閘，兩側(cè)為溢流堰，閘孔凈寬24 m，閘門上游底板總厚度為3.8 m，其中，空箱高度為2.2 m，底板及頂板均為0.8 m厚，閘門下游底板為厚2.15 m的實(shí)體底板。兩座水閘均為獨(dú)立整底板，不設(shè)縫。

圖1 南京三汊河口閘橫剖面圖（單位：高程m，尺寸cm）

圖2 淮安楚州控制工程節(jié)制閘橫剖面圖（單位：高程m，尺寸cm）

圖3 上海蘇州河河口水閘橫剖面圖（單位：cm）

1.3 空箱鋼殼薄壁混凝土結(jié)構(gòu)底板

上海蘇州河河口水閘，見圖3，單孔凈寬為100 m，閘底板借鑒大型沉管隧道工程管段的設(shè)計(jì)，底板采用空箱鋼殼薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，底板總長(zhǎng)99 m，厚度為6.35～4.4 m。底板擱置在兩個(gè)邊閘墩和中墩之上，豎向類似簡(jiǎn)支于3個(gè)閘墩之上的兩跨連續(xù)梁，同時(shí)，由于中墩提供的水平向約束力非常小，底板水平向又類似簡(jiǎn)支于邊閘墩上的單跨箱梁。

2 底板結(jié)構(gòu)型式分析

2.1 實(shí)體底板厚度分析

上述水閘底板單跨跨徑均較大，若按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中建議閘室底板厚度取閘孔凈寬的1/6～1/8，則底板厚度將達(dá)到3.00～6.67 m，屬于大體積混凝土，具有結(jié)構(gòu)面積大、混凝土強(qiáng)度等級(jí)高、水泥用量多等特點(diǎn)，水泥水化所釋放的水化熱會(huì)產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮變形，形成溫度應(yīng)力，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。因此，底板厚度應(yīng)在適中的范圍內(nèi)，既能滿足結(jié)構(gòu)的要求，又能減少工程量，避免裂縫的產(chǎn)生。

目前，幾座已經(jīng)建成使用的采用實(shí)體底板的大跨徑水閘，底板厚度均為2.5 m，與閘孔凈寬比為1/16～1/10，同時(shí)，為滿足底板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，南京三汊河口閘與劃子口河閘底板均采用C30混凝土，江尖水利樞紐節(jié)制閘底板采用C25混凝土。從配筋上看，3座水閘底板頂面主筋（跨徑方向）均采用直徑28 mm的HRB335級(jí)鋼筋，間距為100 mm；底面主筋江尖樞紐采用直徑25 mm的HRB335級(jí)鋼筋，間距為125 mm，另兩座均與頂面配筋相同。底板頂面配筋率為0.255%，底面配筋率為0.255%（江尖樞紐為0.163%），均大于工程設(shè)計(jì)時(shí)采用《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》SL/T191-96）所規(guī)定的最小配筋率0.15%，所用鋼筋也屬于常用鋼筋，配筋較合理。底板厚度取值合理，既可以使配筋在合理范圍內(nèi)，又有利于控制大體積混凝土在施工中由于溫度應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。

2.2 鋼筋混凝土空箱結(jié)構(gòu)底板受力分析

鋼筋混凝土空箱結(jié)構(gòu)是用隔墻、上下層面板將水閘底板縱橫向均分隔成相互獨(dú)立的箱體，空箱凈寬可取2～3 m，空箱凈高一般為2.0～2.2 m，上下層面板厚度為0.8～1.0 m，底板總高度為3.6～4.2 m。圖4為淮安楚州控制工程節(jié)制閘底板水平向剖面圖，可以看出，通過(guò)設(shè)置垂直水流向的隔墻將底板設(shè)計(jì)成空箱結(jié)構(gòu)，又通過(guò)設(shè)置順?biāo)飨虻母魤⒖障湓俅畏指舫筛〉南嗷オ?dú)立的隔倉(cāng)，使空箱跨徑縮短，順?biāo)飨蚋魤梢钥醋魇谴怪毕蚋魤λ纬傻摹肮ぁ弊中瘟旱睦甙?。這種空箱結(jié)構(gòu)大大減小了底板的實(shí)體厚度，同時(shí)又利用縱橫向隔墻增強(qiáng)了底板的剛度。此種底板結(jié)構(gòu)受力情況較為復(fù)雜，整體上看，底板成為多個(gè)“工”字形梁結(jié)構(gòu)，而同時(shí)各隔倉(cāng)上下層面板又成為四邊固支的雙向板結(jié)構(gòu)。因此，底板內(nèi)力計(jì)算時(shí)，隔墻應(yīng)作為T形梁計(jì)算，而隔倉(cāng)上下層面板應(yīng)作為雙向板計(jì)算，有條件時(shí)應(yīng)同時(shí)采用三維線彈性有限元方法進(jìn)行計(jì)算。

2.3 空箱結(jié)構(gòu)底板對(duì)閘室穩(wěn)定性的影響及優(yōu)化

傳統(tǒng)型式的實(shí)體結(jié)構(gòu)底板，重量較重，對(duì)閘室抗滑及抗浮穩(wěn)定有利；而空箱結(jié)構(gòu)底板由于板中空箱部分體積較大，底板實(shí)體厚度大大減小，自身重量相比實(shí)體底板也較輕，故在有水工況下浮托力較大，不利于閘室抗滑及抗浮穩(wěn)定。為滿足整體穩(wěn)定的要求，可在隔倉(cāng)內(nèi)填充土、砂等，為節(jié)省工程投資，也可以設(shè)置進(jìn)水孔，向隔倉(cāng)內(nèi)充水，利用填充物的重量提高閘室整體穩(wěn)定性。水閘關(guān)門擋水時(shí)，由于上下游水頭差作用，底板最大應(yīng)力位于上下游側(cè)，蘇州河河口水閘底板沉放就位后，為提高底板的整體穩(wěn)定性和增大局部截面的剛度，對(duì)底板橫向兩外側(cè)隔倉(cāng)的部分艙位（中、邊墩附近）用混凝土填充，以起到減小底板最大壓應(yīng)力的作用。

圖4 淮安楚州控制工程節(jié)制閘底板水平向剖面圖（單位：cm）

3 實(shí)體與空箱結(jié)構(gòu)底板比較

3.1 跨徑適用情況比較

水閘跨徑越大，底板厚度也相對(duì)越厚，但厚度過(guò)大會(huì)使底板重量大幅度增加，閘底地基應(yīng)力相應(yīng)變大，而水閘多處于河口地區(qū)，地質(zhì)條件為較差的軟土地基，地基處理難度更大。同時(shí)，大體積混凝土的水泥用量更多，水化熱大，更容易產(chǎn)生裂縫。而空箱結(jié)構(gòu)能有效地減小底板實(shí)體厚度及自重，利用空箱增加了底板的總體高度，縱橫向隔墻又使剛度得到保證與提高，同時(shí)，空箱部分節(jié)省了大量的混凝土，有利于控制裂縫的產(chǎn)生，施工質(zhì)量較好。因此，空箱結(jié)構(gòu)比實(shí)體結(jié)構(gòu)更適合大跨徑閘孔，且適用的跨徑范圍更大，如：?jiǎn)慰變魧掃_(dá)到100 m的上海蘇州河河口水閘。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算比較

閘室底板是整個(gè)閘室結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，是全面支承在地基上的一塊受力條件復(fù)雜的彈性基礎(chǔ)板，這樣的“結(jié)構(gòu)—地基”體系應(yīng)按空間問(wèn)題分析其應(yīng)力分布狀況，計(jì)算極為繁冗，因此，工程實(shí)踐中往往將其近似地簡(jiǎn)化成平面問(wèn)題，采用“截板成梁”的方法進(jìn)行計(jì)算，地基反力一般采用彈性地基梁法計(jì)算。實(shí)體底板取單位寬度為脫離體，再按矩形截面構(gòu)件計(jì)算正截面受彎承載力并配筋；而空箱結(jié)構(gòu)底板由于底板不均勻，因此，應(yīng)將垂直水流向的隔墻作為梁肋，將隔墻兩側(cè)各一半空箱寬度的上下層面板分別作為上下翼緣，組成“T”形截面構(gòu)件計(jì)算正截面受彎承載力并配筋，上下層面板應(yīng)按四周固支在縱橫向隔墻上的雙向板計(jì)算。另外，采用有限元方法計(jì)算空箱結(jié)構(gòu)時(shí)，由于水閘結(jié)構(gòu)整體模型可考慮底板內(nèi)部順?biāo)飨蚋魤Φ募s束作用，計(jì)算的內(nèi)力結(jié)果小于結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果。

3.3 施工質(zhì)量

實(shí)體底板較空箱結(jié)構(gòu)底板厚、混凝土用量大，水泥水化熱聚集在內(nèi)部不易散發(fā)，易形成較大的內(nèi)外溫差，內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，外部產(chǎn)生拉應(yīng)力，如內(nèi)外溫度差超過(guò)25℃時(shí)，則混凝土表面將產(chǎn)生裂縫，由此將給工程帶來(lái)嚴(yán)重危害。而空箱結(jié)構(gòu)底板被隔倉(cāng)分割成上下兩層面板，厚度大大減小，澆筑時(shí)也可將上下兩層分開澆筑，澆筑方量較實(shí)體底板大幅度減少，降低了裂縫產(chǎn)生的機(jī)率。但兩種結(jié)構(gòu)底板混凝土用量相對(duì)均較大，施工過(guò)程中須采取有效措施控制裂縫的產(chǎn)生。

空箱結(jié)構(gòu)雖然較實(shí)體底板混凝土用量較少，但總厚度方面卻大于實(shí)體底板。因此，在底板頂面高程相同情況下，空箱結(jié)構(gòu)底板底面需挖得更深，增大了基坑內(nèi)外水頭差，滲透壓力變大易引起砂性土地基發(fā)生流砂現(xiàn)象，給工程帶來(lái)較大危害，因此，對(duì)施工期降排水要求更高，增加了降排水難度。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）實(shí)體結(jié)構(gòu)和空箱結(jié)構(gòu)均可用于大跨徑水閘閘室底板，但空箱結(jié)構(gòu)剛度更大，自重較輕，更適合大跨徑結(jié)構(gòu)，且可向空箱內(nèi)填土或充水提高閘室整體穩(wěn)定性，但應(yīng)特別注意施工期的降排水。

（2）實(shí)體結(jié)構(gòu)底板厚度應(yīng)控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，不宜太厚，初步可按閘孔凈寬的1/16～1/10取用，底板配筋應(yīng)在合理范圍內(nèi)。施工時(shí)必須采取有效措施控制大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。

（3）空箱結(jié)構(gòu)底板受力及計(jì)算更加復(fù)雜，宜同時(shí)采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法與有限元法，保證結(jié)構(gòu)安全。

［1］中華人民共和國(guó)水利部.水閘設(shè)計(jì)規(guī)范（SL265-2001）［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.

［2］陳寶華，張世儒.水閘［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.

［3］陳峰，盧永金，吳維軍，盛軍.蘇州河河口水閘底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2007（2）：36-41.