鋼筋混凝土扭曲面翼墻在黃河下游引黃閘改建工程中的應用

李慶安，隋奇華

（山東黃河勘測設計研究院，山東 濟南 250013）

0 引言

翼墻是為保證涵洞或重力式橋臺兩側路基邊坡穩(wěn)定并起引導流向作用而設置的一種擋土結構物。翼墻迎水面立面布置形式有直立式、傾斜式、扭曲面式等。 其中，扭曲面翼墻的水流情況較好，多用于中小型工程［1］。

扭曲面翼墻在重力影響下產生扭力， 截面上形成剪應力，比一般擋土墻受力復雜，并且，因其結構尺寸特殊，給混凝土施工帶來一定的困難。故黃河下游已建引黃閘門大多采用漿砌石扭曲面翼墻。然而，由于優(yōu)質塊石資源的匱乏和優(yōu)秀砌石工人數量的減少， 混凝土扭曲面翼墻替代傳統(tǒng)的漿砌石扭曲面擋墻應用于黃河引黃閘工程中的趨勢已不可阻擋。 筆者結合山東打漁張引黃閘改建工程， 探討鋼筋混凝土扭曲面翼墻的應用。

1 工程概況及改建方案

1.1 工程概況

山東黃河打漁張引黃閘位于山東省濱州市博興縣境內，相應臨黃大堤右岸樁號183＋750 處。 該閘始建于1956 年，于1981 年改建為6 孔樁基胸墻式水閘，設計流量為120 m3／s，設計加大流量為180 m3／s，建筑物等級為Ⅰ級。 打漁張引黃閘是打漁張引黃灌區(qū)、引黃濟青和膠東調水工程的渠首閘，承擔著打漁張引黃灌區(qū)農業(yè)灌溉、 引黃濟青和膠東調水三重供水任務。2009 年3 月，經黃河水利委員會安全鑒定，該閘主要存在兩岸地基沉降量大大超過允許值，閘室前后防滲系統(tǒng)失效， 閘基持力層沙壤土層為液化地層3 大問題，綜合評定為四類閘，需報廢重建。

1.2 改建方案

經方案比選， 打漁張引黃閘改建工程采用原閘址改建方案， 即在1956 年閘室與1981 年閘室之間修建灌注樁基開敞式水閘。 新修21.0 m 長樁基胸墻式閘室及其上部結構，布置閘孔6 孔，每孔凈寬6 m，高3.0 m。上、下游原砌石扭曲面墻拆除后，新建鋼筋混凝土扭曲面擋土墻4 座，高度為6.15 m／6 m，長度為11.94 m／17.41 m。 水閘布置情況如圖1 和圖2 所示［2］。 改建后，該閘正常設計引水位為11.05 m，設計防洪水位為19.58 m，校核防洪水位為20.58 m。

2 鋼筋混凝土扭面設計

2.1 設計原理［3］

扭曲面是一種特殊的直線面， 因其連續(xù)兩素線彼此交叉，不在同一平面內，所以，扭曲面又被稱為“不可展曲面”。在水利工程中，把扭平面、扭錐面、扭柱面統(tǒng)稱為扭面或扭曲面。其中，扭平面在水利工程中應用最廣泛。本工程中的扭曲面形式即為扭平面。

如圖3 所示，扭平面ABCD 可以看作是一條直母線AB，沿著兩條交叉直導線AD（側平線）和BC（鉛垂線）運動，并始終平行于一個導平面H（水平面）所形成的曲面；扭曲面ABCD 也可以看作是一條直母線AD，沿著兩條交叉直導線AB（水平線）和DC（側垂線）運動，并始終平行于一個導平面W（側平面）所形成的曲面。 在扭曲面形成過程中，母線運動時的每一個空間位置稱為扭曲面的素線。 同一扭曲面有兩種方式形成，也就有兩組素線。

2.2 上游扭曲面設計

圖1 打漁張引黃閘總體布置剖面圖Fig.1 Dayuzhang sluice general layout profile

圖2 打漁張引黃閘總體布置平面圖Fig.2 Dayuzhang sluice general layout plan

上游新舊護坡連接采用混凝土扭曲面， 邊坡由直立漸變?yōu)?∶2，垂直最高為6.14 m，最低為3.62 m，長度為10 m。 上游扭曲面為漸變高程，頂部高程為22.53 m，底部設置在高程為16.39 m 的平臺上。平臺頂部現澆0.6 m 厚鋼筋混凝土護面， 平臺與扭曲面之間均設置銅止水，止水設施滿足閘前擋水要求。扭曲面在高程20.01 m 處與原閘漿砌石護坡連接。

理論上， 該工程混凝土扭曲面可設計為素混凝土結構。但考慮到黃河來水特點及水位變化情況，根據《水工混凝土結構設計規(guī)范》5.5.2 條規(guī)定“遭受劇烈溫度或濕度變化作用的素混凝土結構表面宜配置構造鋼筋網”， 在扭曲面結構的表面配置構造鋼筋網。 鋼筋網的縱橫鋼筋均采用8Φ14HRB400 級鋼筋。

圖3 扭曲面Fig.3 Wrapped surface

2.3 下游扭曲面設計

拆除下游原17 m 長的漿砌石護坦及兩岸扭曲面翼墻， 改建成C25 鋼筋混凝土結構的扭曲面翼墻。扭曲面設計同上游扭曲面設計。新建鋼筋混凝土扭曲面高度為6 m，長度為17 m，邊坡由直立漸變?yōu)?∶2。

3 施工技術

扭曲面翼墻在重力影響下產生扭矩， 截面上形成剪力，比普通擋土墻受力復雜。在保證安全的情況下，為方便施工，加快施工進度，通過劃分雙面模板澆筑、土模澆筑的分界截面，采用分段法施工［4-5］。

本工程中扭曲面翼墻分兩次施工， 第一次為前端10 m（臨土側坡比大于1∶1），采用立模澆筑方法；第二次為剩余7.41 m（臨土側坡比小于1∶1），采用先回填、后刷坡，墻后設土模，使用干硬性混凝土堆坡的施工方法。

3.1 第一段扭曲面施工

3.1.1 立模、澆筑

第一段扭曲面采用分層立模澆筑混凝土的施工工藝，分層高度一般為1.5～2.0 m。施工時，應先搭設模板支架。模板支架一般采用扣件式腳手架搭設，架體的立桿縱、橫間距和步距，剪刀撐，拋撐設置均應按專項架體方案執(zhí)行。 支撐架體搭設完成并通過驗收后，先進行底模安裝，再進行面模安裝。 兩層模板采用對銷螺栓進行加固，中間設置鋼筋環(huán)支撐架，支撐架按（2～3）個/m2設置。 對銷螺栓的縱橫間距均為750 mm。 模板安裝完成后，布設排水管。 排水管為Φ50 塑料管，間距為1.5 m×1.5 m。 上述工序完成后，經驗收合格，即可進行扭面混凝土澆筑。 澆筑時，分層澆筑（每層30～40 cm），分層振實。 澆筑至模板支撐架處，將支撐架取出。

3.1.2 拆模、回填

第一層混凝土強度達到設計值時，進行拆模。拆模時，先拆除上部50 cm 高模板，然后在已澆扭曲面頂部按水平1.0～1.5 m 設置一個水平撐的方式，先將扭曲面撐牢，再繼續(xù)向下拆除其余模板。

模板拆除后，在已澆扭曲面后，采用沙石混合料進行分層回填，回填層厚度為40～50 cm。 在回填過程中，采用水振法振搗，使其壓實度大于0.92。

3.1.3 第一段后續(xù)層施工

在第一段第一層扭曲面回填完成后，進行第二層扭曲面施工。 第二層高仍為1.5～2.0 m，施工方法同第一層。以后每層施工方法均按第一層工藝進行，直至第一段扭面的頂層。

3.2 第二段扭曲面施工

3.2.1 坡面壓實、修坡

在第一段扭曲面施工結束后， 利用挖掘機先對第二段坡面進行粗整、壓實。坡面基本成型、壓實后，在扭坡終端進行等分樁拉線。然后，采用人工方式進行精整， 使坡面達到堤防施工規(guī)范要求的平整度和壓實度。

3.2.2 底層混凝土澆筑

第二段扭曲面底層混凝土一次澆筑成型， 澆筑應從墻底腳處開始， 澆筑厚度一般在150～200 mm范圍內。 混凝土澆筑時， 先在已驗收合格的坡面四周，按要求進行立模并固定。 然后，采用滑槽將坍落度為50～60 mm 的混凝土由墻頂向下滑運至澆筑處，并采用人工平倉，平整度控制在50 mm 內。 平倉后，利用插入式振動器將其坡面混凝土振實。

3.2.3 坡面預埋及錨筋

考慮到迎水墻面與底面混凝土結合的要求，在澆筑底層混凝土時，每1 m3預埋3～4 個小石塊。 預埋小石塊的2／3 在底層混凝土中，1／3 露出底坡面，且露出底坡面高度在30～50 mm 之間。

為固定第二段扭曲面迎水面墻混凝土模板，在進行底層混凝土澆筑時，在水平方向和順坡向，分別按600～800 mm 和600～700 mm 間距預埋Φ16 的“L”型錨筋。錨筋預埋在底層的深度應大于100 mm，露出端長度一般按固定迎水面模板長度確定。

3.2.4 迎水面分層立模、澆筑

考慮到迎水面墻的上、下坡面長度較大，采用分層立模、分層澆筑、循環(huán)至墻頂的施工方法。一般情況下，一次性立模的上、下坡長控制在1 500～2 000 mm。

考慮到扭曲面的曲面變形較大， 模板面板選用多層木工板， 圍樽采用雙排Φ48 的腳手架鋼管，并通過“山”型卡與預埋錨筋連接。

混凝土澆筑仍采用滑槽從墻頂向下順坡運輸進入倉內的方法施工，每個澆筑層的厚度控制在300～400 mm 范圍內。澆筑到模板頂時，停止?jié)仓?，繼續(xù)立模、固定，而后再澆筑，循環(huán)至墻頂。

3.3 細部處理及養(yǎng)護

當第二段扭曲面澆筑完成后， 形成一個整體的扭曲面。這時，需進行以下細部處理：（1）對施工中形成的螺栓孔應進行填筑封堵。 封堵采料一般采用與扭曲面墻體混凝土同強度的微膨脹沙漿。（2）采用電動打磨機對施工中形成的少量模板拼縫棱角進行打磨。（3）采用瀝青瑪蹄脂對2 段扭曲面間的施工縫進行灌縫處理。 （4） 待扭曲面混凝土澆筑完成6～8 h后，對其墻面進行覆蓋、灑水、保濕養(yǎng)護至28 d。若是冬季施工，應進行保濕養(yǎng)護處理。

4 結語

鋼筋混凝土扭曲面翼墻是一種新型結構形式。相對于漿砌石擋墻來說， 鋼筋混凝土扭曲面翼墻的優(yōu)點為：力學性能好、整體性好，更有利于水閘的整體穩(wěn)定性；容易成型，安全可控；工期短、干擾因素少，質量有保證；結構堅固、美觀大方，坡面過渡順暢，減少了水流阻力，保持了水流平穩(wěn)。另外，在鋼筋混凝土擋土墻施工過程中，不產生石料邊角廢料，且施工中的模板和對拉螺栓可重復使用， 能夠節(jié)約成本。

在打漁張引黃閘改建中， 首次應用鋼筋混凝土扭曲面翼墻。目前，該工程已投入使用，且效果良好。因此， 鋼筋混凝土扭曲面翼墻可在黃河下游諸多引黃閘的改建、新建工程中推廣使用。