翼墻在水利工程項目中的應用與分析

劉俊亮

(山西省原平市陽武河水利服務中心,山西 原平 034100)

翼墻在水利施工項目中是一項重要建筑工序,它通常位于水工建筑群的上游和下游兩個施工區(qū)域,翼墻的設(shè)置有效地發(fā)揮了導流、擋土以及防滲的作用,可以有效地增強大型壩的防滑性能,但就現(xiàn)目前有關(guān)高大翼墻的相關(guān)設(shè)計及其研究還較為少見。因此,從實際施工區(qū)域的具體條件出發(fā),對翼墻的設(shè)計進行探討,從而確定其相關(guān)設(shè)計方案,無論是在理論上還是實踐上都具有極高的實用價值。

1 工程概況

某水利泵站屬于重大施工項目,泵站為1級建筑。該站單機流速為38.1m3/s,全項目共配置10個3250HLQ～38.1H號垂直混流水泵,此水泵的單機運行功率為5600kW。渠首站位于中溫帶濕潤季風氣候區(qū)域,其氣候季節(jié)性相關(guān)特征如下:冬季長,氣候干燥濕冷,但春季整體雨量較小且多大風天氣,秋季多暴雨天氣。年平均溫度為2.2℃,年平均降雨數(shù)量在570～610mm之間,常年水面蒸發(fā)量670mm。全年有134d處于無霜天氣,凍土最大深度可達2.2m。

2 翼墻的型式

目前,翼墻共有重力式翼墻、半重力式翼墻、懸臂式翼墻、扶壁式翼墻、U型式翼墻、空箱式翼墻等施工類型。

重力翼墻一般是利用自重來保持墻體平衡,從而在相關(guān)區(qū)域有效發(fā)揮防水擋土的作用,翼墻建設(shè)過程中通常使用混凝土作為建筑材質(zhì),但由于其墻體本身重力相對過高,對地基的承載力要求也會有所增加。因此在將重力翼墻投入實際工程建設(shè)時,必須提前對相關(guān)地基荷載能力計算分析,確保其地基荷載能力符合設(shè)計要求,如果地基荷載能力不符合穩(wěn)定要求,則需要對地基進行加固作業(yè),以提升地基的荷載能力。

懸臂式翼墻的相關(guān)構(gòu)件部分可分為墻體面板和底板,相對于建設(shè)重力翼墻來說,其截面尺寸將會大規(guī)模減小。但因其面板高度不可一直增加,故當其擋土防護墻高度>8m時,將不再適合繼續(xù)投入實際工程建設(shè)。

扶壁式翼墻與上述懸臂式翼墻墻體具有相似的施工結(jié)構(gòu),但在墻體面板的后背表面增加了大部分的扶壁。與懸臂式翼墻相比較而言,其整體功用顯著更為優(yōu)良,擋土防護面也得到有效改善和提升,該墻體通常被應用在10m以上的擋土防護工程中。

U形槽類結(jié)構(gòu)一般出現(xiàn)在水利施工項目下的農(nóng)業(yè)水利施工項目中,尤其多運用于南方多山區(qū)域,很多懸空通道建設(shè)時普遍運用此類結(jié)構(gòu)。因為:①它施工作業(yè)簡單快捷,可采用預制型式翼墻直接開展鋪設(shè)作業(yè);②其翼墻自身重量較小,安裝更為方便。

空箱翼墻建筑施工過程較為繁雜,相應施工結(jié)構(gòu)繁多,是一種輕質(zhì)混凝土結(jié)構(gòu),通常在空箱中注入水來提高墻體的穩(wěn)固性?？障湟韷κ┕み^程中不能以填土施工方式來提升墻體的穩(wěn)固性,否則將會影響后期開展墻體維穩(wěn)作業(yè)。

3 翼墻的設(shè)計標準

水工建筑類的擋土裝置需按其所屬的水工建筑類別來進行劃分,因為該泵站屬于1級水工建筑類,鑒于翼墻是該泵站的附屬水工建筑物。因此,文中所提及的入水口處設(shè)置的翼墻也被判定為1級建筑物。翼墻的防洪標準必須與其所屬水工建筑類的防洪標準保持一致,水工擋土防護裝置也應與其所屬的水工擋土防護裝置相協(xié)調(diào)。鑒于水泵站所設(shè)置的區(qū)域地震烈度

表1 水工擋土墻墻頂安全加高限值標準 m

沿擋土防護墻地基部分的防滑安全指數(shù)低于施工區(qū)域地基安全指數(shù),擋土防護墻級別判定為1級。在不同的荷載組合情況下,僅被用于地震荷載,在確定的基礎(chǔ)組合條件下,其防滑穩(wěn)固安全系數(shù)為1.35。在土質(zhì)地基處擋土防護墻全體沿軟黏土方向滑移時,一般采用瑞典曲線法或折線滑移法開展防滑穩(wěn)固性能驗算。對于1級擋土防護墻來說,在基礎(chǔ)荷載情況下,防傾安全指數(shù)≥1.6。不將等級和地基狀況納入考慮范圍時,空箱型擋土防護墻的防浮穩(wěn)固安全指數(shù)≥1.1,而在特定載荷的情況下,其防浮穩(wěn)固性安全指數(shù)≥1.05。

4 翼墻的設(shè)計

4.1 翼墻的結(jié)構(gòu)布置和選型

作為翼墻的擋土防護墻,可以采取曲線型、直線與圓弧混合型、折線型、或者圓弧型等型式,在入水口左邊以垂直型翼墻與上游通道兩側(cè)相連,為改善入水狀況,文章擬將兩側(cè)翼墻設(shè)計成直線和圓弧混合的施工形式,直線段翼墻長度為10m,收縮角度為15°,圓弧形翼墻前端墻面半徑R=20m。

針對土質(zhì)地基擋土防護墻施工所用類型,應參照施工土質(zhì)狀況、擋土高度和建筑材質(zhì)選取情況來決定。對于中等強度的施工地基,8m以下的擋土防護高度,宜選用重力式、懸臂式以及半重力式;當擋土防護高度>6m時,可采取扶壁式;如果地基狀況難以達到以上擋土防護墻要求,且擋土高度較高情況下,可選用空箱扶壁式或空箱式。對于軟弱地基,應采取板樁式或空箱式。鑒于該泵站臨水側(cè)擋土墻的標準較高,若采用扶壁式,易出現(xiàn)地基反作用力過大的現(xiàn)象,超過地基可承載能力,地基施工變得困難,且成本較高;因此,本論文的設(shè)計方案中選取鋼筋混凝土空箱扶壁式擋土防護墻,且箱內(nèi)無需填土和灌水。

4.2 翼墻尺寸的初步擬定

4.2.1 尺寸擬定

文章擬將翼墻高程確定為153.5m,以滿足墻體后方填土需求。根據(jù)墻體施工材質(zhì)和填土高度來合理判定墻頂寬度,其寬度通常>0.3m。針對泵站入水口頂寬,文章將空箱前后兩墻均設(shè)定為1m,這樣不僅讓施工更為簡便,而且可以方便施工人員在頂部行走,便于后期維修。鑒于入水口地勢崎嶇,所以翼墻整體地基在隨墻長度走向縱坡上分布時,其底面需按階梯狀分段配置,且每階長度需<2m,相鄰兩階高差控制在2m以內(nèi)。在此基礎(chǔ)上,文章在入水口兩側(cè)方分別配置5段翼墻,其中第4段和第5段墻高度差<5m,第3段和第4段高度差低于8m;但由于此處不為階梯式分節(jié),所以應參照驗算合理性來決定其設(shè)計合理性。

根據(jù)地形、土質(zhì)、水流沖擊、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、整體穩(wěn)定性等要素來決定墻體底板預埋深度。鑒于翼壁入水口水流狀況平穩(wěn)且流速小,因此,文章擬將1～3段翼墻預埋深度設(shè)為垂直于墻前土體,對于第4和第5段翼墻,鑒于水剛流進泵站前池,水流狀況不佳且流速大,故初步將預埋深度擬設(shè)為0.8m(第3段)、1.5m(第4段),以避免水流沖擊。

應參照墻體整體強度來判定墻體底板所需厚度,通常混凝土擋土防護墻厚度需>0.3m,根據(jù)施工區(qū)域地質(zhì)資料,泵站翼墻施工土質(zhì)為地基土,故在1～3段翼墻的前、后趾板下方均布設(shè)有齒墻,深度為lm;在第4、5段翼墻處,因其擋土深度較低,因此僅在趾板上布設(shè)深度為0.6m(第4段)和0.5m(第5段)的齒墻,由于翼墻前端使用空箱,所以前壁以豎立結(jié)構(gòu)來建造迎水面。

扶壁式擋土防護墻以相同厚度設(shè)置,參照防護墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固需求等判定扶壁坡比降。將貼角配置在墻與扶壁、底板與墻的交界處。文章初步將1～3段扶壁厚度設(shè)置為0.80m,其余扶壁厚度為0.60m(第4段)和0.50m(第5段)的厚度。將兩扶壁間距設(shè)置為:第1段和第2段間距4.10m,由于第三段為彎曲狀,其間距為7.00m,第4段和第5段分別為3.28m、3.55m,空箱前不配置入水口。扶壁坡度i初步擬為:第1～3段翼墻扶壁i=2.7、第4段扶壁i=2.045、第五段扶壁i=2.5。參照施工結(jié)構(gòu)、地基狀況以及施工材質(zhì)來判定每段擋土防護墻的長度。初步預設(shè)第1段和第2段墻體長度均為15.50m,第3段過渡段弧長26m,第4段和第5段為20m和15m。水工建筑、各節(jié)翼墻與附屬翼墻間如出現(xiàn)永久施工縫,縫寬應控制在10～25mm左右。在永久施工縫間需配置防水層。文章在每段翼墻間和翼墻與水泵站的交界處均設(shè)有20mm寬的永久施工縫,并配置防水層。

翼墻實際尺寸預設(shè)如下:以垂直連接的方式連接翼墻與上游河道雙側(cè),雙側(cè)翼墻配置形式為直線、弧形混合式,1～3段翼墻為空箱式扶壁式雙型式,第4段和第5段翼墻為扶壁式。第1段和第2段長度合計為15.50m,收縮角度為15°,第3段弧形翼墻前墻半徑R=20m,弧長度為26m;第4段和第5段墻總長20m和15m,翼墻頂面高程153.5m,上部加設(shè)鋼筋混凝土波浪防護墻,其厚度為0.20m,高1.20m,墻背面土質(zhì)高程與翼墻保持一致,為153.5m。

翼墻底寬16.70m,厚為1.60m,前齒懸挑長2.0m,空箱寬5.0m,頂部厚0.6m,前、后墻厚度均為1.0m,箱內(nèi)無需填土;第4段翼墻高10.00m,以鋼筋混凝土建構(gòu)扶壁,扶壁底寬8.50m,厚1.0m,前齒懸挑長2.0m,壁前厚0.80m,壁面厚0.60m;第5段翼墻自高6.50m,扶壁為鋼筋混凝土構(gòu)成,底寬4.50m,厚0.70m,前齒懸挑長1.2m,壁前厚0.60m,壁面厚0.50m。扶壁坡度i如下:1～3段扶壁坡度i=2.7,第4段i=2.0,第5段i=2。5。

4.2.2 翼墻幾何模型

泵站入水翼墻和上游通道雙側(cè)呈垂直式相連,雙側(cè)翼墻為直線式、弧形式混合布設(shè)。參照翼墻的平面位置和擋土防護墻高度,施工方案確定為多節(jié)布設(shè)結(jié)構(gòu)。

1)第1段翼墻和水流流向收縮角為15°,該工程共設(shè)置為3段扶壁。

2)第2段翼墻設(shè)立為直墻段分布形式,該工程共設(shè)置4段扶壁。

3)第3段翼墻采用圓弧形結(jié)構(gòu)配置,墻體前端表面半徑R=20m。收縮角度為75°。

4)第4段翼墻墻體高度為10.00mm,以鋼筋混凝土建構(gòu)扶壁,墻體底板寬度設(shè)置為8.50m,厚度為1.00m,前齒懸挑長預設(shè)為2.0m,墻前端部分厚0.80m,扶壁厚0.60m。第5段翼墻墻體高度預設(shè)為6.50m,以鋼筋混凝土建構(gòu)扶壁,墻體底板寬度設(shè)置為4.50m,厚度為0.70m,前齒懸挑長預設(shè)為1.20m,墻前端部分厚0.60m,扶壁厚0.50m。

4.3 進口翼墻穩(wěn)定計算

翼墻所受作用力主要來源于墻體自重、主動土作用力、水流壓力等因素,翼墻施工完畢后需選取最不利施工狀況開展穩(wěn)固性核算。其防滑穩(wěn)固安全指數(shù)需>1.3,防傾穩(wěn)固指數(shù)需>1.5,翼墻穩(wěn)定計算表,見表2。

表2 翼墻穩(wěn)定計算表

由以上核算結(jié)果可推知出翼墻結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)固性指數(shù),確保該項目翼墻防滑、防傾穩(wěn)定指數(shù)均可符合預設(shè)要求。

5 結(jié) 語

綜上所述,在水利水電施工建設(shè)項目中,翼墻不僅具有支護擋土、保持地基平衡的作用,而且還與其隸屬的水工建筑物一同承擔防洪、給水、抽灌等功能。文章參照實際施工案例,首先給出了翼墻的設(shè)計規(guī)范,并對翼墻的結(jié)構(gòu)配置、型式選取、預設(shè)尺寸等開展詳細地分析和核算,以保證翼墻的穩(wěn)固性和安全性,為保證工程的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。