一種組合式鋼圍堰的設計與分析

務闖 李玉東 李爽 陳高俊

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

水利工程往往需要干地作業(yè)的施工條件以便于人工或施工機械進入工作，如何保證施工的干地作業(yè)條件則需要圍堰來完成。鋼圍堰是一種為保護正常施工安全的臨時性的措施，在施工工程中經(jīng)常被廣泛應用，它可以阻擋水、泥、沙、石等對施工作業(yè)帶來的干擾。鋼圍堰是施工作業(yè)安全性保證，所以在工程作業(yè)中，鋼圍堰是需要重點控制的環(huán)節(jié)。由于施工中面臨著多種不同的復雜條件，不同的施工環(huán)境會對鋼圍堰提出不同的施工要求，因此需要有針對性的設計圍堰以滿足不同的施工需求[1]。

南水北調(diào)工程不同于一般的水利工程。其輸送水源是生活飲用水，施工中對水源的保護要求較高，必須保證不會污染水源，而普通水利工程中廣泛使用的土石結(jié)構(gòu)圍堰，由于其污染嚴重、施工量大、會破壞渠坡等問題，在施工中則不予考慮[2]。通過對南水北調(diào)中線干渠邊坡?lián)p壞情況的調(diào)研表明，中線干渠邊坡在不間斷供水3 年以后，常出現(xiàn)不同程度的損壞問題，主要包括局部襯砌面板隆起、部分襯砌面板塌陷，襯砌面板連續(xù)破碎或滑坡(部分渠道連續(xù)損壞超百米)等。中線干渠需要修復的邊坡已達上百處。

這些襯砌面板損壞的區(qū)域有所不同，有的損壞發(fā)生在水面線下深度1-2 米處，部分發(fā)生在3-4 米以內(nèi)，甚至有部分邊坡?lián)p壞位置更深。發(fā)生損壞的干渠邊坡系數(shù)包括1：2.0，1：2.5 和1：3.0 等多種。在確定設計方案時，需要設計一種可以滿足不同邊坡長度、不同入水深度和不同邊坡系數(shù)施工需求的大型擋水設施。

1 組合式圍堰設計計算

經(jīng)過大量調(diào)研發(fā)現(xiàn)，德國和奧地利等國家均使用過鋼結(jié)構(gòu)防洪墻以抵御洪水。現(xiàn)借鑒其組合式結(jié)構(gòu)，設計一種適用于渠道邊坡用修復作業(yè)的自沉式組合鋼圍堰，該設計改變了其打孔固定在地面的安裝形式，將主體結(jié)構(gòu)裝配在自沉式底座上，使其可以在渠道不斷流的情況下，實現(xiàn)不損壞邊坡部位的干地作業(yè)，該設計可以使用到襯砌面板的損壞修復上，解決南水北調(diào)中線工程渠坡襯板損壞所帶來的安全隱患[3-5]。

根據(jù)所設計結(jié)構(gòu)的性質(zhì)以及調(diào)研結(jié)果，確定采用立柱加擋水板的擋水結(jié)構(gòu)，立柱和擋水板安裝在具有足夠質(zhì)量的底座上，底座依靠自身重力作用可在邊坡上保持穩(wěn)定，立柱后方增加支撐桿系，以保證立柱和擋水板在受到不同外部水壓時保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。立柱+擋水板+底座+支撐桿系組成單元圍堰，單元圍堰連接起來得到不同長度的組合式擋水圍堰,為保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，在邊坡上添加反力箱結(jié)構(gòu)，并內(nèi)置配重。

單元圍堰基本形狀如圖1 所示，組裝圍堰如圖2 所示。

圖1 單元圍堰概念圖

圖2 組裝圍堰概念圖

該組裝圍堰在工作狀態(tài)下，底邊圍堰和側(cè)邊圍堰均受到自身重力、支撐桿支撐力、邊坡摩擦力以及干渠渠道水流的靜壓力和動壓力。在進行計算時，首先確定水壓和摩擦力的大小，然后根據(jù)平衡條件去優(yōu)化構(gòu)建質(zhì)量和支撐結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

1.1 圍堰水壓計算

1.1.1 流速變化確定

根據(jù)實地調(diào)研數(shù)據(jù)，干渠橫斷面為上底46m，下底18m，深度7m 的等腰梯形，橫斷面面積為224m3。設計最大流量為265m3/s；由計算可知，該段干渠的最大水流速度v1=265/224=1.18 m/s。安裝圍堰后，水流橫截面發(fā)生改變，根據(jù)伯努利方程

當沉入圍堰后，圍堰處干渠橫截面積會縮小9m2，此時最大流速會增加到v2=1.21m/s。

1.1.2 壅水高度確定

圍堰處干渠橫截面積縮小后會發(fā)生壅水，此時邊坡處水流速度減小為零，即v3=0m/s。由伯努利方程，發(fā)生壅水后壓力勢能保持不變，速度由v2=1.21m/s 減小為零。計算可得出產(chǎn)生壅水的高度為：

1.1.3.1 底邊圍堰和水流方向相同，與表面垂直方向的流速為零，因而只需要考慮靜壓力。根據(jù)（3）可知，單位長度圍堰承受的總靜壓力為：10000h2N/m (即每米圍堰在深度1 米時受力為10000N,2 米時為40000N,3 米時為90000N，隨著深度增加側(cè)壓力迅速增大)。

1.1.3.2 側(cè)面圍堰面不僅受到靜壓作用，由于表面面對水流方向，還會受到動壓作用，可按（5）計算：

1.2 重力計算

按照初始設計，單位圍堰質(zhì)量為3420KG，單位圍堰長度為2 米，則組合式圍堰單位長度的重力初設定為17100N/m（取g=10m/s2）。

1.3 底部摩擦力計算

圍堰和邊坡之間的摩擦力可按照下式計算：

式中，G 是圍堰重力。α 是邊坡的角度，f 是底座、支撐桿和邊坡之間的摩擦系數(shù)。

已知單位長度的圍堰重力為17100N,cos（α）=8/9。在干地狀態(tài)下，f 取0.8-0.9（本次取0.8），在平整良好的濕潤坡面上，f 取0.4-0.5（本次取0.4）。在布滿淤泥和苔癬的坡面上，f取0.10-0.15（本次取0.10）。

對以上取值分別展開計算，可得不同條件下單位長度的摩擦力分別為：12160N，6080N，1520N。

2 組合式圍堰位置穩(wěn)定分析

組合圍堰在邊坡上的穩(wěn)定主要通過自身重力、邊坡與圍堰底部間的摩擦力、水壓力等實現(xiàn)平衡獲得。本文針對以下三種情況估算自沉式圍堰放置在邊坡上的穩(wěn)定性：

（1）圍堰底座放置于干燥的邊坡上，尚未入水時，圍堰不承受水壓，底座與干燥邊坡接觸；

（2）底座和全部圍堰進入水中，但尚未抽水形成作業(yè)區(qū)時，內(nèi)外側(cè)水壓平衡，底座與水下邊坡接觸；

（3）正常作業(yè)時，圍堰中水被抽干，此時圍堰外側(cè)承受水壓，內(nèi)側(cè)沒有水壓，底座與水下邊坡接觸。

2.1 第一種情況

2.2 第二種情況

圍堰底邊單元底座受力情況如圖3 所示。具體分析如圖3。

圖3 雙向水壓圍堰底邊單元底座受力圖

2.2.1 自身重力G 計算：

底座是截面為直角梯形，長為2 米的柱體（底座上矩形槽和立柱孔對其質(zhì)量影響甚小，忽略不計）。其中直角梯形上下底邊分別為0.2 米和0.4 米，高為0.4 米，則底座的體積為：

鋼材的密度為7800kg/m3，重力加速度取g=10N/kg。則底座重力為：

2.2.2 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3.3～3.5米處水壓力：

2.2.3 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，該表面入水深度為h3=3.1m，表面面積為A=0.4×2=0.8m2。則底座受到正向水壓力為：

此時在重力和正向水壓力作用下，底座有向下滑動的趨勢。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。

2.2.4.1 在邊坡面板干凈平整時

橡膠與濕混凝土面板間的附著系數(shù)為：φ=0.4～0.6。

經(jīng)上述計算，所需摩擦系數(shù)小于附著系數(shù)，可以保證底座穩(wěn)定，不出現(xiàn)下滑現(xiàn)象。

2.2.4.2 在邊坡面板有大量淤泥和苔蘚時

附著系數(shù)為：0.10-0.15，小于所需摩擦系數(shù)0.16，需要采用拉索等物保持圍堰不滑入水中。全部圍堰所需拉力為：

2.3 第三種情況

對于第三種情況，單位底邊圍堰受力情況如圖4 所示。

圖4 單側(cè)向水壓圍堰底邊單元底座受力圖

單位長度圍堰重力沿邊坡分力為：17100*4/9=7600N,單位長度水壓力沿邊坡分力為：90000*8/9=80000N, 支撐桿受到的垂直于邊坡的壓力為：186800N,在良好摩擦時，單位圍堰長度所受附著力為：Ff=（186800）*f+17100*f*8/9,機構(gòu)穩(wěn)定條件為：水壓力（80000）≦重力+摩擦力:

2.3.1 在良好摩擦條件下，f=0.4 則摩擦力=81560N,重力分力=7600N, 重力分力+ 摩擦力=89160N ≥水壓力（80000N）因此可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3.2 在極限不良摩擦條件，f=0.10 則摩擦力=25500N，重力分力+摩擦力=33100N≦水壓力（80000N）系統(tǒng)無法實現(xiàn)穩(wěn)定。通過在干地區(qū)域增加圍堰重量保證系統(tǒng)不失穩(wěn)。所需平衡的壓力為：（80000-33100）*16=750400N。

干地區(qū)域的向下分力為：G*sin(a)+f(附著)=560000N；干地區(qū)域增加圍堰重量為：56000KG，在兩側(cè)向圍堰頂部分別布置28000KG 左右的重物即可保證最為極限不良摩擦情況的穩(wěn)定性。

3 組合式圍堰對邊坡基底壓力分析

根據(jù)前期和施工期渠道揭露地質(zhì)編錄和地質(zhì)復核情況，工程區(qū)地層主要由上第三系粘土巖、砂巖等軟巖和第四系沖洪積及坡積物組成，邊坡水泥襯砌面板以下混凝土承載能力在120-300Kpa 之間。組合式圍堰主要構(gòu)件質(zhì)量和對基底的壓力如表1 所示。

表1 主要構(gòu)件的質(zhì)量及壓力

由表1 可知，主要部件對邊坡的壓力小于混凝土承壓，組合式圍堰不會對邊坡造成損壞。

4 結(jié)構(gòu)建模及分析

使用有限元軟件導入如圖1 所示現(xiàn)有三維模型，在受力面加載前文所述載荷，固定圍堰底面及兩側(cè)面，分析結(jié)果如圖5 所示。由分析結(jié)果，最大應力為28.477MPa，最大總變形0.679mm。

圖5 應力云圖和總變形云圖

5 結(jié)論

根據(jù)有限元仿真分析，分析結(jié)果中的最大應力28.477MPa 遠小于所選材料的許用應力235MPa，且最大總變形0.679mm，相較于單元圍堰的外形尺寸，變形是微小的，因此可以認為本設計具有足夠的強度和剛度，完全滿足設計需求。