后澆帶在草堰翻水站工程中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李 悅，楊曉飛

(鹽城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 鹽城 224002)

為消除老站安全隱患，提高江界河灌區(qū)的灌溉保證率，滿(mǎn)足區(qū)域20年一遇防洪要求，實(shí)施草堰翻水站拆建工程。新建草堰翻水站為閘站結(jié)合型式，設(shè)抽引孔6孔，自引孔1孔，采用對(duì)稱(chēng)布置。抽引孔凈寬3.80m，機(jī)組中心距4.70m，每孔設(shè)1200ZLB- 135立式軸流泵1臺(tái)，配套電機(jī)功率160kW，總裝機(jī)功率960kW。自引孔凈寬8.0m，設(shè)平面直升鋼閘門(mén)1道。站身采用塊基整體結(jié)構(gòu)，站身順?biāo)飨蜷L(zhǎng)22.00m，垂直水流向?qū)?8.40m。閘站頂高程為5.40m，上方設(shè)主廠房。

SL 265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.13條“為了防止和減少由于地基不均勻沉降、溫度變化和混凝土干縮引起的裂縫，對(duì)于多孔水閘的閘室底板，必須沿垂直水流方向進(jìn)行分段，即設(shè)置若干道順?biāo)飨虻挠谰每p”，“根據(jù)工程的經(jīng)驗(yàn)仍采用，巖基上的分段長(zhǎng)度不宜超過(guò)20m，土基上的分段長(zhǎng)度不宜超過(guò)35m”。本工程站身底板寬度38.4m，略大于規(guī)范提供的建議值。

本工程兩側(cè)北側(cè)緊臨雙草線，為草堰鎮(zhèn)連接國(guó)道的主要交通道路，站身處路面高程為▽8.0～10.0m，若采用分離式底板，站身兩側(cè)的土壓力要由兩側(cè)的底板但單獨(dú)承擔(dān)，需設(shè)置剛性樁地基基礎(chǔ)來(lái)承擔(dān)水平荷載，大幅度增加了工程投資。本著科學(xué)設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)合理的原則，宜使用整體式結(jié)構(gòu)抗滑抗變形，設(shè)計(jì)仍使用整底板方案，但需要對(duì)設(shè)置的后澆帶做相應(yīng)的論證。

1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

1.1 荷載標(biāo)準(zhǔn)

站身穩(wěn)定計(jì)算、地基承載力計(jì)算按照規(guī)范要求執(zhí)行，站身結(jié)構(gòu)計(jì)算、地基基礎(chǔ)沉降計(jì)算采用河海大學(xué)結(jié)構(gòu)有限元軟件Autobank進(jìn)行。草堰翻水站閘站站身按3級(jí)水工建筑物設(shè)計(jì)，所受荷載包括自重和活荷載兩大類(lèi)。自重：機(jī)房(站身)重量、金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)電設(shè)備重量(局部加重)；活荷載：土壓力、水壓力、水重、浮托力、滲透壓力、風(fēng)雪荷載、人群、車(chē)輛、臨時(shí)起重等活荷載。站身結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 站身結(jié)構(gòu)圖

1.2 參數(shù)選用

根據(jù)規(guī)范要求及工程站址處地基條件確定建筑物工程穩(wěn)定設(shè)計(jì)參數(shù)，建筑物地基應(yīng)力最大值與最小值之比的允許值，中等堅(jiān)實(shí)的地基土質(zhì)上，基本荷載組合時(shí)為2.00，特殊荷載組合時(shí)為2.50。

工程主要建筑物地板站身底板位于(3-6)輕粉質(zhì)壤土夾重粉質(zhì)壤土層，根據(jù)SL 265—2016經(jīng)驗(yàn)參數(shù)表查得，地基土與建筑物底板之間摩擦系數(shù)f=0.25～0.40?？紤]各建筑物均采取地基處理，本工程取用地基土與建筑物底板之間摩擦系數(shù)f=0.30。

根據(jù)GB 50265—2022《泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和SL 265—2016對(duì)建筑物地基允許沉降量和沉降差的規(guī)定，本次設(shè)計(jì)按地基最大沉降量不超過(guò)15cm，最大沉降差不超過(guò)5cm控制。

1.3 計(jì)算結(jié)果

站身穩(wěn)定、地基反力計(jì)算結(jié)果：站身基底應(yīng)力最大值出現(xiàn)在完建期，基底應(yīng)力最大值為121.58kPa，最小值為120.78kPa，平均值為121.18kPa。完建期無(wú)水平荷載，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。站身底板位于輕粉質(zhì)壤土夾重粉質(zhì)壤土層，地基土承載力特征值為75kPa，地基承載力不滿(mǎn)足要求，需進(jìn)行地基處理。設(shè)計(jì)采用30cm×30cm預(yù)制混凝土方樁復(fù)合基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)10m，樁間距1.50m，單樁承載力特征值為232kN，復(fù)合地基承載力特征值為146kPa。

站身結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果：根據(jù)站身結(jié)構(gòu)型式，以框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，邊荷載范圍按照1倍的站身寬度確定。后澆帶的澆筑發(fā)生在完建期，文章僅對(duì)完建期的結(jié)果加以說(shuō)明。站身結(jié)構(gòu)完建期受力分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 站身完建期彎矩計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，工程底板面層最大彎矩出現(xiàn)在通航孔面層，為432kN·m，底板底層最大彎矩出現(xiàn)在兩側(cè)邊孔外側(cè)，為594kN·m。

2 后澆帶設(shè)計(jì)

2.1 后澆帶布置

抽引孔內(nèi)水機(jī)、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備較多，為避免因施工質(zhì)量等因素帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，不宜在抽引孔內(nèi)設(shè)置后澆帶，因此本工程后澆帶布置于自引孔內(nèi)。因自引孔面層中間部位彎矩較大，若僅在中部設(shè)置1道后澆帶，后澆筑的混凝土強(qiáng)度不能承受較大的彎矩。因此考慮在自引孔的兩側(cè)各布置1道后澆帶。設(shè)計(jì)采用2道后澆帶，布置于自引孔內(nèi)兩側(cè)臨墩墻處，為便于后續(xù)清雜、鑿毛等處理，設(shè)計(jì)后澆帶寬度為1.4m，中間設(shè)置紫銅片水平止水1道，后澆帶使用微膨脹混凝土澆筑。后澆帶布置位置如圖3所示，后澆帶結(jié)構(gòu)如圖4所示，后澆帶附加鋼筋如圖5所示。

圖3 后澆帶布置圖

圖4 后澆帶結(jié)構(gòu)圖

圖5 后澆帶鋼筋圖

2.2 施工工序設(shè)計(jì)

后澆帶設(shè)計(jì)主要作用是為了減少后期不均勻沉降產(chǎn)生的裂縫，根據(jù)Autobank計(jì)算成果，站身沉降主要發(fā)生在兩側(cè)抽引孔，中間自引孔沉降較小。荷載加載步設(shè)置為30d時(shí)，抽引孔處沉降為8.82cm，自引孔處沉降為3.44cm。因此，施工時(shí)將首先澆筑抽引孔底板及墩墻，待其完成一定沉降后再澆筑后澆帶。由于自引孔面層彎矩較大，為了后澆帶澆筑完成后，面層承載能力能達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度，自引孔底板中間部位同期一起澆筑。上部廠房結(jié)構(gòu)荷載較大，后澆帶未實(shí)施前，其荷載全部由兩側(cè)自引孔承擔(dān)。通過(guò)計(jì)算分析，此種情況下，地基反力大于復(fù)合地基承載力，上部廠房荷載不能全部在二期加載。經(jīng)計(jì)算，上部廠房荷載達(dá)到9000kN時(shí)，地基反力為140kPa，設(shè)計(jì)地基基礎(chǔ)能滿(mǎn)足要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，二期添加荷載為上部廠房的立柱及橫梁，其總重量約為6000kN，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，站身部位施工工序?yàn)椋孩俪橐?、自引孔底板；②抽引孔、自引孔墩墻；③抽引孔中、上部結(jié)構(gòu)；④廠房立柱；⑤后澆帶、自引孔上部結(jié)構(gòu)；⑥墻后回填土1，回填至▽0.50m；⑦上部廠房剩余結(jié)構(gòu)；⑧墻后回填土2，回填至設(shè)計(jì)高程；⑨其他剩余工程。施工工序如圖6所示。

圖6 工程施工工序圖

3 站身計(jì)算成果復(fù)核

根據(jù)上述施工工序，對(duì)站身計(jì)算成果進(jìn)行復(fù)核。在自引孔及上部廠房立柱澆筑完成后，站身底板基底反力為108kPa，滿(mǎn)足承載力要求。下面主要對(duì)沉降結(jié)果進(jìn)行復(fù)核。

計(jì)算模型：根據(jù)站身結(jié)構(gòu)型式，以框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，邊荷載范圍按照1倍的站身寬度確定。計(jì)算加載步共分為4步，每步歷時(shí)30d，材料荷載加載步如下。

0步：地基土材料；1步：抽排孔底板、墩墻及設(shè)備自重，上部房屋荷載一半；2步：自引孔底板、面板自重及其上荷載；3步：兩側(cè)回填土壓力；4步：邊荷載、上部房屋剩余荷載。

沉降計(jì)算結(jié)果：第1加載步在抽排孔及上部廠房一半荷載加載后，地基沉降達(dá)到8.94cm，第2步后澆帶及自引孔加載后，地基總沉降為9.67cm，第3步加載完成后，地基總沉降為9.69cm，第4步加載后地基總沉降量為11.8cm。在第1步加載后，已完成大部分沉降，后期沉降為2.98cm，且為總體沉降，對(duì)站身裂縫控制等影響較小。

本工程地基土層以砂性土為主，施工排水條件較好，考慮該部分施工工期較長(zhǎng)(3～4個(gè)月)，站身沉降基本可在施工期間完成，后期沉降較小。因此前期站身抽引孔沉降基本穩(wěn)定后再對(duì)自引孔后澆帶砼進(jìn)行封閉澆筑，采取上述措施基本可消除地基不均勻沉降帶來(lái)的底板裂縫風(fēng)險(xiǎn)，認(rèn)為后澆帶方案可行。

4 類(lèi)似工程參考

根據(jù)江蘇省內(nèi)其他類(lèi)似工程多年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，后澆帶的設(shè)置對(duì)工程結(jié)構(gòu)并未產(chǎn)生不好的影響，工程的沉降變形、結(jié)構(gòu)裂縫等均滿(mǎn)足規(guī)范要求。句容河蓄水閘工程閘室分3孔，底板總寬47.8m，于中孔內(nèi)臨墩墻側(cè)各布置1道1m寬后澆帶，根據(jù)工程閘室沉降監(jiān)測(cè)資料，監(jiān)測(cè)期間北側(cè)底板累計(jì)沉降7mm，南側(cè)累計(jì)沉降16mm，南、北側(cè)沉降差為9mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求。連云港義澤河閘底板寬41.4m，共3孔，各布置1道后澆帶于邊孔臨中墩側(cè)。根據(jù)兩年的監(jiān)測(cè)觀察，閘室底板未出現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)的裂縫，取得了很好的工程效果。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于寬度稍大于35m的閘站底板，采用整體式底板對(duì)于抗滑抗變形有其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于分離式底板也能節(jié)省投資。對(duì)于設(shè)置后澆帶的方案，不僅需要對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的受力分析，以確定后澆帶的布置位置，還需要對(duì)因施工工序的改變帶來(lái)荷載加載步的變化對(duì)工程其他影響方面進(jìn)行復(fù)核，以滿(mǎn)足沉降變形、地基承載力等方面的要求。工程施工時(shí)，還需要做好后澆帶與一期澆筑底板之間的處理，防止在后澆帶處產(chǎn)生施工縫，后期還應(yīng)做好長(zhǎng)期的工程位移變形監(jiān)測(cè)工作，以期為更多類(lèi)似工程設(shè)計(jì)工作提供參考。