箱型涵洞包箍結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改進(jìn)

一、優(yōu)化改進(jìn)背景

在取水、輸水、排水工程中，箱涵是較常見的一種建筑物型式，具有從河道取水、連接上下游渠道輸送渠水、排泄洪水或澇水等作用。箱涵洞身一般每隔8～15m 一節(jié)，節(jié)與節(jié)之間平接，預(yù)留縫寬20mm左右，縫間設(shè)止水。由于涵洞地基或節(jié)間涵洞上部荷載不均勻等原因，可能導(dǎo)致涵洞節(jié)與節(jié)之間產(chǎn)生水平位移或不均勻沉降，致使節(jié)間縫張大，止水破壞，影響安全。傳統(tǒng)的做法一般為約束箱涵節(jié)間不均勻沉降等有害變形，分縫處柔性材料包裹、外抹砂漿、外置普通鋼筋混凝土矩形包箍等，協(xié)調(diào)箱涵節(jié)與節(jié)之間垂直變形。在工程實(shí)踐中，一些工程因地質(zhì)和荷載等原因，箱涵產(chǎn)生水平位移，節(jié)間縫水平向張大，甚至出現(xiàn)箱涵脫開抱箍底梁，進(jìn)而止水破壞，對(duì)工程安全產(chǎn)生不利影響。為約束箱涵水平位移，對(duì)包箍的結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行改進(jìn)，在包箍底梁增設(shè)卡槽，限制箱涵水平位移。

二、主要優(yōu)化改進(jìn)內(nèi)容

為有效限制箱涵分縫水平張開，對(duì)傳統(tǒng)的箱涵包箍進(jìn)行改進(jìn)，具體如圖1。

包箍結(jié)構(gòu)包括：底梁、兩個(gè)側(cè)梁和頂梁。具體如圖1所示，箱涵由箱涵頂板、箱涵底板和箱涵側(cè)墻組成，箱涵洞頂上有填土層。

兩節(jié)箱涵的連接位置形成沉降縫，頂梁安裝在沉降縫上方并覆蓋沉降縫，底梁安裝在沉降縫下方并托乘箱涵，兩個(gè)側(cè)梁分別安裝在沉降縫兩側(cè)。底梁、兩個(gè)側(cè)梁和頂梁構(gòu)成口字形封閉結(jié)構(gòu)并包覆沉降縫的包箍。

底梁為凹字型結(jié)構(gòu)，箱涵底板的端頭為下凸結(jié)構(gòu)并與底梁的凹形結(jié)構(gòu)相契合。如此，箱涵分節(jié)位置外置卡槽式鋼筋混凝土包箍，利用鋼筋混凝土包箍的剛度，形成封閉式包箍的豎向與側(cè)向約束，協(xié)調(diào)箱涵分縫處的變形，限制箱涵節(jié)與節(jié)之間的水平與豎向相對(duì)位移。

圖1 箱涵包箍改造結(jié)構(gòu)圖

箱涵外壁與包箍之間預(yù)留變形縫，且變形縫中填塞柔性填充材料，滿足箱梁結(jié)構(gòu)變形及箱涵與包箍間的變形協(xié)調(diào)的需要。變形縫寬20mm。箱涵的節(jié)與節(jié)之間設(shè)有止水，包箍包覆在止水外周。

包箍的結(jié)構(gòu)尺寸，頂梁和側(cè)梁為矩形，且矩形的邊長(zhǎng)為1.0～1.5倍的箱涵底板厚度。底梁下部的矩形結(jié)構(gòu)的寬B為2.4～3.0倍箱涵底板的厚度，高H為1.0～1.5倍箱涵底板的厚度；底梁?jiǎn)蝹?cè)上部凸起的寬度為b，高度為h，其中，h為50～100mm，b=（B-L1-2×L2）/4，L1為箱涵沉降縫寬，L2為包箍與箱涵外壁間變形縫的寬度。箱涵底板端部向下形成的凸起，其寬為b1，高為h1，h1為50～100mm，b1=（B-L1-2×L2）/4，L1為箱涵沉降縫寬，L2為包箍與箱涵外壁間變形縫的寬度。底梁總寬度為B=2×（b+b1）+2×L2+L1，b=b1，有利于保證包箍對(duì)兩節(jié)箱涵連接位置的束縛力，從而保證箱涵工作的可靠。

三、工程實(shí)例

劉拐斗門位于一級(jí)堤防長(zhǎng)江無為大堤上，主要設(shè)計(jì)條件：防洪條件長(zhǎng)江側(cè)13.22m；排澇水位：內(nèi)河設(shè)計(jì)排澇水位6.1m，最低水位5.5m；設(shè)計(jì)排澇流量1.7m3/s。涵洞布置總長(zhǎng)88m，共11節(jié)，每節(jié)長(zhǎng)8.0m。涵洞凈寬1.5m，凈高1.8m，底坎高程5.0m。涵洞底板、頂板厚均為0.4m，側(cè)墻厚0.4m。涵洞節(jié)與節(jié)間分縫處設(shè)置兩層止水，其中表層為明止水。

根據(jù)地質(zhì)資料，涵洞底部地基主要為：1.淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；2.淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土；3.粉細(xì)砂。其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土，承載力低、壓縮性大，其土層厚度近30m。為解決地基沉降及水平位移問題，對(duì)地基采用了剛?cè)嵝詷杜c格構(gòu)墻組合復(fù)合地基綜合處理技術(shù)進(jìn)行加固處理。為確保涵洞節(jié)間不產(chǎn)生水平位移及不均勻沉陷，在節(jié)間分縫位置設(shè)置具有三維約束作用的箱型涵洞卡槽式鋼筋混凝土包箍，結(jié)構(gòu)尺寸如圖2。

圖2 卡槽式鋼筋混凝土包箍結(jié)構(gòu)圖

發(fā)生在軟土地基上的穿堤箱涵結(jié)構(gòu)縫水平張開較大的問題，主要是由于地基垂直沉降、水平向蠕變及變形不均勻產(chǎn)生的，而在箱涵結(jié)構(gòu)縫處傳統(tǒng)使用混凝土抱箍結(jié)構(gòu)，截面型式為矩形，可有效調(diào)整結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)箱涵沉降差，但對(duì)箱涵水平向位移無約束作用?，F(xiàn)實(shí)工程中少數(shù)工程深厚軟土地基水平向蠕變較大，箱涵結(jié)構(gòu)隨地基側(cè)向蠕變而水平位移，出現(xiàn)箱涵與抱箍脫開、結(jié)構(gòu)錯(cuò)位、止水破壞。該工程將卡槽式包箍結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)抱箍底梁增設(shè)卡槽，優(yōu)化包箍底梁的截面形式限制箱涵水平位移，并協(xié)調(diào)相鄰涵洞間的沉降變形。劉拐斗門利用卡槽包箍結(jié)構(gòu)在箱涵分節(jié)處形成了三維約束，有效控制箱涵沉降縫沿豎向或橫向張大而造成的止水破壞，同時(shí)箱涵外壁與包箍間的縫，給相鄰涵洞的協(xié)調(diào)變形預(yù)留了空間。工程于2015年開始建設(shè)，2016年完工。經(jīng)過4年多的運(yùn)行，涵洞沉降在30mm以內(nèi)，工程運(yùn)行正常，未發(fā)現(xiàn)較大沉降及位移，證明處理取得了很好的效果。

四、優(yōu)化與改進(jìn)效果

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的卡槽式包箍結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)抱箍底梁增設(shè)卡槽，卡槽與縫兩側(cè)箱涵底板結(jié)構(gòu)咬合，形成箱涵縫兩側(cè)橫向約束，實(shí)現(xiàn)了箱涵外置包箍由二維約束到三維約束的轉(zhuǎn)變，有效地限制了箱涵分縫水平張開。根據(jù)箱涵結(jié)構(gòu)特征及深厚軟土地基的變形特點(diǎn)，卡槽式包箍結(jié)構(gòu)充分利用橫向強(qiáng)度與剛度，增強(qiáng)了箱涵結(jié)構(gòu)對(duì)地基變形的適應(yīng)能力。這種具有三維約束型卡槽式箱型涵洞鋼筋混凝土包箍結(jié)構(gòu)，不僅用于箱涵工程，還可廣泛用于泵站、水閘等多種形式的建筑物，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值■