河道綜合樞紐工程設計重點、難點的總結

李忠臣，王延峰，劉 芳

（上海市政工程設計研究總院集團第七設計院有限公司，山東 青島　266001）

河道綜合樞紐工程設計重點、難點的總結

李忠臣，王延峰，劉 芳

（上海市政工程設計研究總院集團第七設計院有限公司，山東 青島266001）

在河道綜合樞紐工程中涉及到橡膠壩、船閘、交通橋、建筑等多個不同專業單體，各專業設計過程中單體之間的銜接至關重要。現通過對濰坊濱海經濟開發區白浪河船閘橡膠壩工程設計階段的重點、難點問題進行總結，為后期類似工程提供相關設計經驗。

橡膠壩；船閘；交通橋；建筑；難點；總結

1　工程概況

白浪河樞紐位于山東省濰坊濱海經濟開發區中央商務區東側白浪河河道上，距離白浪河入海口約8 km。工程主要包括橡膠壩、船閘、交通橋、“游輪”建筑及其配套工程（見圖1、圖2）。橡膠壩長360 m，共6孔，壩高3.0 m，充水式壩袋，壩袋位于橋梁下部。船閘級別為Ⅶ級，位于河道中央，船閘凈寬為15 m，凈空為4.5 m。交通橋橋寬13 m，橋總長362 m，采用變高度鋼筋混凝土連續板結構。“游輪”建筑位于船閘上部，采用鋼框架結構，建筑面積約8 950 m2，抗震設防烈度為7度。

圖1　工程總體平面布置圖

圖2　工程效果圖

2　工程設計

2.1橡膠壩工程

2.1.1工程等別與建筑物級別

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000）及《水閘設計規范》（SL265-2001）相關規定，橡膠壩工程等別為Ⅱ等、規模為大（2）型，主要水工建筑物級別為2級，次要建筑級別為3級。

2.1.2洪水標準

工程設計洪水重現期為50 a，設計洪峰流量為2 513 m3/s。

2.1.3工程布置及主要設計參數

橡膠壩工程，上游包括：拋石防沖槽段、上游防護段，上游防滲鋪蓋段、主體橡膠壩段；下游包括：消力池段、下游海漫段、下游拋石防沖槽段及充排水系統等。

上游拋石防沖槽段順水流方向長9.3 m，垂直水流方向長175×2=350（m），槽深1.5 m；上游防護段順水流方向長16 m，垂直水流方向長181.5× 2=363（m），護底為450 mm灌砌塊石、100 mm碎石墊層、100 mm粗砂墊層、土工布一層，兩側為弧形段C35鋼筋混凝土懸臂式擋墻；上游防滲鋪蓋段順水流方向長17 m，垂直水流方向長180.5× 2=361（m），護底為600 mm C35鋼筋混凝土底板，兩側直線段為C35鋼筋混凝土懸臂式擋墻；橡膠壩段順水流方向長13 m，垂直水流方向寬180× 2=360（m），設計壩高3.0 m，內壓比為1.4，底板為1 000 mm C35鋼筋混凝土底板，下設C15素混凝土墊層100 mm，橡膠壩共6孔，壩墩利用橋梁實體橋墩及橋臺代替；消力池段順水流方向長18 m，垂直水流方向長181.5×2=363（m），池深0.8 m，護底采用600 mm C35鋼筋混凝土底板，兩側直線段為C35鋼筋混凝土懸臂式擋墻；下游海漫段順水流方向長32 m，分為12 m長灌砌塊石硬性海漫段和20 m長干砌塊石柔性海漫段；下游拋石防沖槽順水流方向長15.3 m，槽深2.5 m，采用粒徑300～600 mm亂石拋填。

橡膠壩充排水系統位于河道中部船閘箱式擋墻內部，利用抽排河水進行橡膠壩的起落。

2.2船閘工程

船閘位于河道中部，級別為Ⅶ級，凈寬為15 m，凈空為4.5 m，船閘在順水流方向布置包括：上游導航段37.6 m+上閘首21 m+閘室段30 m+下閘首21 m+下游導航段37.6 m。

船閘兩側采用C35鋼筋混凝土箱式擋墻結構，底部為1 500 mm C35鋼筋混凝土底板，基礎為C35鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，閘門采用8.5 m×6.0 m單扇人字閘門，啟閉機采用集成式液壓啟閉機，位于箱式擋墻內部，船閘上部為四層“游輪”建筑，船閘箱式擋墻及鋼筋混凝土底板作為上部建筑的基礎。行洪時閘首段人字閘門處于關閉狀態，禁止通航。閘室段船閘兩側箱式擋墻兼做橡膠壩充排水泵房、污水提升設備泵房、消防泵房和噴淋泵房。

2.3交通橋工程

2.3.1功能定位

管理辦公人員與兩岸溝通的需要。

游客到“游輪”建筑游覽觀光的需要。

2.3.2技術標準

設計荷載：城-B級，考慮重型車輛較少，根據《城市橋梁設計規范》（CJJ11-2011）要求，車道荷載的效應乘以0.8的折減系數；人群荷載：依據《城市橋梁設計規范》（CJJ11-2011）中10.0.5條執行。

設計使用年限：100 a；

結構設計安全等級：二級。

2.3.3工程布置及結構形式

交通橋為兩座對稱橋梁，單側橋梁長181 m，采用跨徑（6×10+6×10+6×10）=180（m）的鋼筋混凝土連續板橋。橋梁橫斷面布置為0.5 m（人行護欄）+3 m（人行木棧道）+6m（電瓶車行道）+3 m（人行木棧道）+0.5 m（人行護欄），總寬13.0 m。

主梁采用變高度鋼筋混凝土連續板，跨中梁高0.5 m，支點處梁高1.0 m。

主梁支架現澆。

橋墩采用柱式墩，矩形承臺；在伸縮縫處采用墻式橋墩，矩形承臺，基礎為φ1 000 mm鉆孔灌注樁。

橋臺采用重力式橋臺，基礎采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁。

2.4“游輪”建筑及其配套工程

2.4.1“游輪”建筑

建筑物耐久年限分類：三類，50 a；

建筑物耐火等級：二級；

抗震設防烈度：7度；

結構形式：鋼框架結構；

建筑面積：8 950 m2，4層。

結合周邊環境將建筑設計成綜合性建筑，主要功能分為餐飲、休閑、娛樂、住宿及觀光游覽等。

首層層高4.5 m，主要分為就餐空間及設備區間，建筑面積約3 590 m2，為便于集中管理和避免噪聲污染，將設備區放于一側。二層層高為4.5 m，就餐空間以包間形式體現，另一部分作為會議室，建筑面積為2 400 m2。三層層高為4 m，主要分為客房、健身房和咖啡廳，建筑面積為1 650 m2。四層及人字屋面為游覽觀光空間，四層建筑面積為1 100 m2。

2.4.2建筑配套工程

該工程中的建筑配套工程主要有給排水、電氣、自控、暖通、燃氣及結構。

2.4.2.1給排水配套工程

給排水配套工程包括建筑外部給排水總管設計和建筑內部給排水設計。建筑外部給排水總管均采用de160PE管，給排水總管管道敷設于河底，連接市政給排水管網，建筑污水統一收集至一體化污水提升設備，通過增壓泵輸送至市政污水管網。

建筑內部給排水包括室內生活用水及消防系統、自動噴水滅火系統。

2.4.2.2電氣配套工程

根據負荷性質，需要二路電源供電。一路電源引自外線10 kV電源，采用電纜進線方式，沿交通橋敷設至高配間內。另一路電源引自發電機作為備用電源，采用母排進線，引至低壓配電間。

2.4.2.3自控配套工程

中央控制站：自控系統按分散控制、集中顯示的原則設置。設1個中央控制站，由可編程序控制器（PLC）及自動化儀表組成的檢測控制系統、視頻監控系統，對橡膠壩泵站、船閘各過程進行分散控制，再由通訊系統和監控計算機組成的中央控制系統，對樞紐實行集中管理和調度。

視頻監控站：視頻監控系統對現場設備進行集中監視、控制和管理。

2.4.2.4暖通配套工程

該工程無法接入市政熱源，利用中央空調進行供冷供熱，采用多聯機中央空調，室外機設置于負一層船閘箱式擋墻上部平臺。

2.4.2.5燃氣配套工程

設計壓力：低壓（P＜0.01 MPa）。

設計范圍：起點為市政中低壓調壓箱；終點接船閘內部燃氣管道。

低壓燃氣管道設計流量：4.05 Nm3/h。

管道材質及防腐：選用加強級3PE防腐無縫鋼管，材質為20#鋼。

低壓燃氣管道沿橋為架空敷設，岸上為直埋敷設。

2.4.2.6結構配套工程

“游輪”建筑采用鋼框架結構，鋼柱采用焊接矩形鋼管（Q345B），鋼梁采用焊接矩形鋼管（Q345B）及焊接H鋼（Q345B），樓板采用現澆鋼筋混凝土樓板，矩形鋼管混凝土柱采用焊接矩形鋼管（Q345B）+C40混凝土。矩形鋼管混凝土柱伸入下部船閘鋼筋混凝土箱式擋墻內。

3　工程設計重點、難點的反思與總結

3.1橡膠壩底板與橋梁承臺之間不均勻沉降問題處理

結合以往工程判斷，橡膠壩蓄水之后，壩前雜物較多，加之日常管理維護不及時，極易形成依附于壩袋表面的污垢，嚴重影響蓄水區的景觀效果。因此，該工程將橡膠壩設置于交通橋正下方，交通橋橋墩及橋臺兼做橡膠壩隔墩。該工程橡膠壩共6孔，單孔寬度為60 m，交通橋單跨長度為10 m，在橡膠壩隔墩位置的橋墩及兩側橋臺采用實體鋼筋混凝土結構，其他位置的橋墩采用雙柱結構，壩袋在兩橋柱之間穿過，橋梁承臺及橡膠壩底板作為壩袋錨固底板。由于橡膠壩底板與橋梁承臺上部荷載、結構形式及地基處理方式均有所差別，因此其之間設置沉降縫，縫寬20 mm。橡膠壩充排水管設置于橡膠壩底板和橋梁承臺內部，壩袋錨固板位于橡膠壩底板和橋梁承臺上部，對其不均勻沉降要求較高。橋梁承臺底板厚度為1.5 m。下部為鉆孔灌注樁基礎，橡膠壩底板厚度為1.0 m。下部為高壓旋噴樁復合地基處理，橋梁承臺和橡膠壩底板下部的地基之間存有沉降差，為保證其同步沉降，橡膠壩底板與橋梁承臺之間的沉降縫采用搭接縫處理。由于地基處理方式和承受荷載不同，橡膠板底板沉降量大于交通橋承臺沉降量，因此將橡膠壩底板搭接在橋梁承臺之上，搭接長度為0.2 m，保證同步沉降，在設計過程中應對搭接底板進行抗剪驗算。

3.2橡膠壩充排水泵房的合理布置

關于橡膠壩充排水泵房的布置，在設計階段選取了兩個方案進行比較。方案一是充排水泵房設置在河道兩岸。方案二是將充排水泵房與船閘箱式擋墻相結合，充分利用箱體空間。方案一為常見的橡膠壩泵房布置方式，主要包括集水井、進水井、泵房，管理房及充排水管道，此方案河道兩側均需要設置泵房。方案二是充分利用船閘箱式擋墻的內部空間，將充排水管路和設備布置在箱式擋墻內部，船閘有通航需要，底板頂標高低于橡膠壩底板頂面標高，船閘通航段可作為橡膠壩取水水源，充壩時利用水泵和充排水管路將河水充入橡膠壩內，坍壩時可利用自排和強排兩種方式將壩袋水排入河道。方案二相比方案一大大節省了工程投資，泵房集中布置，也便于后期日常管理和維護。

3.3“游輪”建筑與下部船閘結構之間的連接處理

“游輪”建筑位于船閘上部，采用鋼框架結構，建筑如何與下部船閘結構之間進行連接為設計重點和難點。船閘兩側為鋼筋混凝土箱式擋墻，其上部建筑由于受通航凈空影響只能采用柱體結構與鋼筋混凝土箱式擋墻進行連接，船閘各個部位根據規范要求設置伸縮縫，其上部建筑如在對應位置設置伸縮縫則會影響建筑的功能布局。上部“游輪”建筑為整體鋼框架結構，下部船閘為分縫鋼筋混凝土結構，其連接位置尤為重要，如處理不當，影響上部建筑整體結構安全。上部“游輪”建筑為整體結構，下部船閘作為上部建筑的基礎，要求其絕對沉降和相對沉降差極小。船閘下部采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基礎，平均絕對沉降量為2.5 mm～3.0 mm，相對沉降差為0.3 mm～0.5 mm，滿足上部建筑對基礎沉降的要求。上部“游輪”建筑可采用整體結構形式。建筑上部采用鋼框架結構型式，并通過勁性混凝土柱與底部船閘混凝土箱式擋墻連接。勁性混凝土柱不僅可以充分發揮材料的性能，即混凝土的抗壓能力及鋼柱的抗彎能力，同時，在建模計算過程中，原則上勁性混凝土柱的混凝土部分的承壓能力不參與計算，僅作為結構的安全儲備，已充分保證結構的安全性。由于建筑下部處于海水環境中，鋼柱外混凝土的包裹也可有效地提高建筑的耐腐蝕性。

3.4船閘與交通橋之間的銜接問題

“游輪”建筑側面外觀為弧形，船閘作為整個“游輪”的下部，造型需要與“游輪”相協調，同為弧形結構。經過項目組思考和研究，在船閘箱式擋墻外側弧形面上多作出一規則鋼筋混凝土擋墻結構，外側立面為規則平面，與橋臺外立面能夠平整銜接，且伸出的銜接結構體量相對于整個箱式擋墻結構較小，計算模型中可將其自重荷載進行簡化，轉化至整體結構計算中。

3.5跨河管線的布置

該工程“游輪”建筑如何進行各管線的布置為該工程的難點。“游輪”建筑引入管線一側的河道布置有交通橋、橡膠壩及其附屬的岸墻、防滲鋪蓋、消力池底板等構筑物。《城市橋梁設計準則》明確規定：當條件許可時，可在橋上敷設電訊電纜、熱力管、供水管、電壓不高于10 kV配電電纜、輸送壓力不大于0.4 MPa的燃氣管道，但必須采取安全防護措施。《城市橋梁設計規范》規定：電力電纜與燃氣管道不得布置在同一側。該工程給排水管線在下游消力池底板下部進行敷設至岸邊與市政給水、污水管網連接。橋梁上部可布置強、弱電分別設于橋梁兩側的欄桿基座內，燃氣在弱電側的橋梁人行道懸挑橋板下部進行懸掛。

3.6地基處理

該工程根據各段使用功能、結構型式、上部荷載、結構重要等級、地質條件等因素進行不同的地基處理。

根據上述條件劃分為橡膠壩、橋梁承臺、船閘地基三個處理段。橡膠壩地基處理段主要包括橡膠壩底板、上游防滲鋪蓋、下游消力池底板及兩側上下游翼墻。根據地質勘察報告，橡膠壩段基礎下部地層依次為：①層粉砂、②層粉質粘土、③層粉砂、④層粉質粘土、⑤層粉砂、⑥層粉質粘土，其中①層為嚴重液化土層，承載力為90 kPa，③層為輕微液化土層，承載力為150 kPa。由于現狀河道河底受早年挖沙影響，大部分橡膠壩基礎下部均為深溝，需回填至基礎底面標高，現狀表層粉砂含水率較高，直接回填土壓實不能滿足沉降要求，且考慮液化影響。該工程采用高壓旋噴樁復核地基進行處理，處理深度至液化粉砂土層，樁長約20 m，高壓旋噴樁采用梅花型布置，樁間距根據上部荷載要求采用1.2 m和1.5 m，地基處理后單樁無側限抗壓強度不小于1.0 MPa，復核地基承載力特征值不小于150 kPa和110 kPa。

橋梁為車行交通橋，船閘上部為四層“游輪”建筑，對下部地基要求均較高。根據荷載、沉降及相關計算確定采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。在樁長設計計算中，樁側摩阻力標準值應考慮①層和③層粉砂液化影響進行折減，①層折減系數為0，③層折減系數為2/3。在設計過程中，應重視對摩擦樁穿透液化土層樁側摩阻力液化折減系數的影響。

4　結語

水利樞紐綜合工程，涉及專業較多，專業交叉頻繁，各專業負責人遇到問題應及時溝通，經各方協調綜合提出符合各專業基本條件下，再進行下一步驟工作。這將會解決工程難點，對提高設計質量和加快進度有很大幫助。

TV86

B

1009-7716（2016）06-0168-04

2016-03-07

李忠臣（1981-），男，內蒙古人，工程師，從事水工結構設計工作。