大型水閘岸墻布置形式優(yōu)化探討

王西青

(安徽省阜陽市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司，安徽 阜陽 236000)

岸墻作為水閘與兩岸連接的主要建筑物，具有重要的作用，擔(dān)負著5個重要任務(wù)：①擋土，保護兩岸免受過閘水流沖刷，維持河岸穩(wěn)定；②導(dǎo)流，引導(dǎo)水流平順過閘，并使出閘水流均勻擴散；③阻止側(cè)向繞滲防止與其相連的岸坡產(chǎn)生滲透變形；④抗沖，保護兩岸不受過閘水流沖刷；⑤改善閘室受力狀態(tài)，減少閘室與兩岸的不均勻沉降及沉降對閘室應(yīng)力的影響。因此，應(yīng)重視其布置形式的選擇。

1 工程概況

黑茨河閘20年一遇行洪流量1114m3/s，屬大(2)型水閘，主要建筑物級別為2級，抗震設(shè)防烈度為7度，場地基本地震動峰值加速度值為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，特征周期值為0.45s，工程抗震設(shè)防類別為乙級，該閘7孔開敞式結(jié)構(gòu)，閘孔總凈寬78m，節(jié)制閘共5孔分2聯(lián)，每孔凈寬10m，通航孔共2孔，每孔凈寬14m，閘室總寬度117m(含空箱岸墻)，如圖1所示。

圖1 黑茨河閘結(jié)構(gòu)圖

2 岸墻的布置形式

一般岸墻與閘室相配合，與閘墩平行布置，上下游方向長度與閘墩相同，常見的閘室與岸墻布置形式有：邊墩代替岸墻、邊墩與岸墻分開及邊墩與岸墻結(jié)合等。黑茨河閘采取了一種新的岸墻布置形式，即閘室與岸墻整體設(shè)計。

2.1 邊墩代替岸墻

以閘室邊墩代替岸墻，多用于中小型水閘，其閘孔較少，閘室高度較小，地基承載力較大，整個閘室不分段，閘室兩側(cè)邊墻所承受的土壓力可以互相平衡，如圖2所示。

圖2 邊墩代替岸墻

2.2 邊墩與岸墻分開

當(dāng)閘室較高、孔數(shù)較多及地基軟弱時，在閘墩上分縫，岸墻則緊靠閘室邊墩，僅以變形縫分隔，使邊墩免受側(cè)向土壓力的作用，縫間的閘段自成一體，地基發(fā)生不均勻沉降時，閘孔不致變形，閘門能夠順利啟閉，無礙于水閘的正常運行，但修建縫墩比較復(fù)雜，而且其總厚度大于中墩，導(dǎo)致水閘總工程量加大，施工周期加長，如圖3所示。

2.3 邊墩與岸墻結(jié)合

當(dāng)閘室在底板上分縫時，常以岸墻兼作閘室邊墻，閘室底板成為雙懸臂梁結(jié)構(gòu)，這種布置形式既減少了閘的總寬度，節(jié)省了工程量，又可縮短工期。這時宜把閘室的邊跨作為底板分縫跨，使岸墻所承受的側(cè)向土壓力不影響或少影響其他閘跨，岸墻多做成空箱形式，這是為了減輕閘室重量，使其基底的平均荷載強度盡可能接近閘室基底的平均荷載強度，減小不均勻沉降，但該結(jié)構(gòu)整體性差，對地基變形很敏感，抗震性能也差，不均勻沉降將導(dǎo)致閘孔變形，使閘門啟閉困難，適用于地質(zhì)條件較好的地基，如圖4所示。

圖4 邊墩與岸墻結(jié)合

2.4 閘室與岸墻整體設(shè)計

設(shè)置橋頭堡的空箱岸墻完建期基底壓力一般為閘室的1.5倍以上，因此，可能產(chǎn)生大的不均勻沉降，特別是在閘室較高或地基軟弱的條件下更為突出，岸墻后的填土荷載強度也遠大于閘室基底和空箱岸墻基底的荷載強度，岸墻受墻后填土邊荷載的影響，常常向填土方向傾斜，施工期、完建期及運行早期，由于受兩岸土壓力的作用，岸墻向前(河道內(nèi))傾斜，后期受地基沉降和邊荷載的影響，其可能后仰，岸墻與閘室邊墩之間的變形縫頂部張開的現(xiàn)象屢見不鮮，在地基軟弱，壓縮性較大的情況下，還會引起閘室的傾斜。黑茨河閘勘察揭示其地基土層層面平緩，厚度均勻，屬均勻地基，地基土層為新近堆積土層，強度較低?？紤]閘室地基條件和結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點、施工方法和措施等因素，采取了一種新的岸墻布置形式，即閘室與岸墻整體設(shè)計，如圖5所示。

圖5 閘室與岸墻整體設(shè)計

3 穩(wěn)定計算

根據(jù)SL 265—2016《水閘設(shè)計規(guī)范》，閘室基底應(yīng)力應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)布置及受力情況，按第7.3.4條規(guī)定進行計算；土基上閘室基底應(yīng)力最大值與最小值之比小于允許值，應(yīng)符合表7.3.5的規(guī)定；土基上沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，按第7.3.6條規(guī)定進行計算，結(jié)果見表1。

表1 黑茨河閘穩(wěn)定計算成果表(完建期)

由于計算工況較多，表1只列出完建期，計算成果表明，邊墩與岸墻分開方案岸墻的最大地基反力達178.49kPa；當(dāng)采用閘室與岸墻整體設(shè)計方案時，地基反力趨向均勻，減小了最大地基反力，降低了地基處理強度，節(jié)約了工程投資。

4 結(jié)構(gòu)計算

4.1 計算軟件選擇

利用河海大學(xué)Autobank7.77水工設(shè)計軟件進行結(jié)構(gòu)計算，計算模型如圖6所示。其計算主要步驟如下：

圖6 閘室與岸墻整體設(shè)計方案計算模型

(1)定義材料：用“材料”菜單中的“梁/桿材料”為梁或桿賦予材料參數(shù)。

(2)繪制分區(qū)、劃分網(wǎng)格：在AutoCAD中用多義線或圓弧繪制桿系結(jié)構(gòu)的軸線，如果截面不同，則應(yīng)該采用“梁/桿”菜單中的“梁單元”或“桿單元”將多義線定義為梁或桿。

(3)設(shè)置材料及其加載步：材料分區(qū)、荷載、邊界、彎矩圖等對象均有屬性表，用戶可以在屬性表中修改形狀、加載步、值等屬性。當(dāng)唯一選中某對象時，屬性表顯示，若選中多個對象，右擊可以取消再選。

(4)定義荷載及其加載步：定義位移邊界條件和荷載，荷載可以考慮分批加載。為得到較真實的地基應(yīng)力，可先計算地基(位移清零)，加載步0為地基重力；完建期的荷載為重力，加載步1為結(jié)構(gòu)材料分區(qū)；加載步2為運行期的荷載。

(5)設(shè)置位移邊界約束：通?？扇〉走吶s束，兩邊限制水平位移。

(6)建立求解任務(wù)列表、求解：用“求解”中“定義工程并更新數(shù)據(jù)”，形成求解所用的數(shù)據(jù)文件。用“求解”菜單中“求解變形與應(yīng)力”開始求解。

(7)查看結(jié)果：用“結(jié)果”菜單中的“內(nèi)力圖”看計算結(jié)果。

4.2 計算成果

由于計算工況較多，如圖7—8所示只列出完建期閘室岸墻彎矩圖，計算成果表明，閘室與岸墻整體設(shè)計方案通航孔閘室底板彎矩減少了30%，避免底板過厚。

圖8 閘室與岸墻整體設(shè)計方案彎矩圖

5 結(jié)論

閘室與岸墻整體設(shè)計方案在黑茨河閘工程兩岸連接中的合理運用，不僅少設(shè)置1道分縫，減少了施工工序，還在防滲方面減少了1個薄弱環(huán)節(jié)，方案結(jié)構(gòu)整體性好，對地基不均勻沉降的適應(yīng)性強，具有較好的抗震性能；同時地基反力趨向均勻，減小了最大地基反力，降低了地基處理強度，減小了底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力，避免底板過厚、配筋過多，節(jié)約了工程投資，為讀者提供1個設(shè)計思路。但該方案荷載分析及結(jié)構(gòu)單元劃分稍復(fù)雜，需利用有限元結(jié)構(gòu)計算軟件進行輔助設(shè)計，方可快速便捷地計算出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形及沉降等參數(shù)。