自沉式組合鋼圍堰設計

杜春林 毛建華 毛建黨 薛娟娟

摘 要：由于傳統圍堰存在較多不足，難以滿足各地用水需求，因此，本文設計了一種自沉式組合鋼圍堰。首先對組合圍堰的整體結構進行簡要介紹，然后計算其在施工作業過程中承受的壓力，分析其穩定性。結果表明，該組合圍堰在結構設計上能滿足水壓作用的要求，且能滿足穩定性的要求。

關鍵詞：自沉式組合鋼圍堰；壓力；穩定性

中圖分類號：TV53+8.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）17-0080-03

Self-sinking Composite Steel Cofferdam Design

DU Chunlin MAO Jianhua MAO Jiandang XUE Juanjuan

Abstract： Because there are many deficiencies in the traditional cofferdam， it is difficult to meet the water demand. Therefore， a self centering composite steel cofferdam was designed in this paper. First， the overall structure of the combined cofferdam was briefly introduced， then the pressure on the construction process was calculated， and its stability was analyzed. The results showed that the combined cofferdam could meet the requirements of water pressure in structural design and meet the requirements of stability.

Keywords： self sinking composite cofferdam；pressure；stability

1 設計背景概述

在水利工程建設中，為防止水和泥沙對建筑物修建位置的影響，常常需要在建筑物修建位置周圍事先修建圍堰[1]。作為臨時性擋水建筑物，圍堰應同時滿足以下要求：具有穩定的結構和較強的剛度，且具有一定的防滲和抗沖擊能力；構造上簡單，以便圍堰施工和工程結束后進行拆除；布置上應順應水流，不發生局部沖刷[2，3]。

傳統圍堰包括草土圍堰、土石圍堰、混凝土圍堰及鋼板樁圍堰等。這些傳統圍堰能滿足多數水利工程施工的要求。但是，隨著水利工程的發展，水利施工要求不斷提高，要求設計新型圍堰結構。例如，南水北調中線工程自通水以來，由于長期受到水流、泥沙沖擊作用，加之意外事件的發生，渠道襯砌面板可能出現不同程度的破損。為保證沿線地區的用水需求，需要在保證其他襯砌面板完整且干渠水流量不變的情況下對損壞的面板進行維護和修復，這是傳統圍堰所不能滿足的[4]。為此，本文設計了一種自沉式組合鋼圍堰。

2 自沉式組合鋼圍堰結構設計

南水北調中線工程環境復雜，本文基于其中某段坡比為1∶2的干渠邊坡對自沉式組合鋼圍堰進行設計研究。圖1為圍堰整體結構平面圖，組合鋼圍堰整體由順水流方向的底邊圍堰、與水流方向呈60°和120°的兩個側邊圍堰及拐角圍堰組成。其中，底邊圍堰和側邊圍堰均由長度為2m的單元圍堰組裝而成，單元圍堰又包括圍堰底座、圍堰立柱、擋水鋼板和支撐桿等。為保證有足夠的干地作業空間，圍堰入水深度為3m，底邊圍堰長度為16m。

3 載荷計算及穩定性分析

3.1 載荷計算

在工作狀態下，正面圍堰和側面圍堰均受到自身重力、支撐力和水流的靜止力和動壓力。

3.1.1 流速。施工方提供的數據，干渠橫斷面為上底46m，下底18m，深度7m的等腰梯形，橫斷面積224㎡。設計最大流量為265m3/s，最大水流速度v1為1.18m/s。安裝圍堰后，水流橫截面發生改變，根據伯努利方程[5]可知：

[P+12ρv2+ρhg=C] （1）

式（1）中，[P]為流體中某點的壓強，[v]為流體該點的流速，[ρ]為流體密度，[g]為重力加速度，[h]為該點所在高度，[C]是一個常量。

圍堰處橫截面積縮小9m2，最大流速增加到[v2]=1.21m/s。

圍堰處橫截面積縮小后會發生壅水，邊坡處水流速度減小為零，即[v3]=0m/s。由伯努利方程可知，發生壅水后壓力勢能保持不變，速度由[v2]減小為零，則產生壅水高度為：

[Δh=v22-v232g=0.14m] （2）

3.1.2 圍堰承受靜壓力。單位長度承受靜壓為：

[F=ρ水gL×h22-h21 ]（3）

式中，L為圍堰長度。

3.1.3 側面圍堰所受動壓為（A為面積）：

[12ρ水v2?A] （4）

3.1.4 圍堰總壓。正面圍堰主要承受靜壓力，由于流速變化不大，動壓力可以忽略。側面圍堰面對水流流速變化較大，承受動壓力和靜壓力兩種力，可按式（5）計算：

[h1h2（ρ水ghL+12ρ水v2L）dh] （5）

3.2 底座穩定性分析

圍堰底邊單元底座受力分為兩種情況：第一，底座吊裝入水后，除與邊坡接觸的底面，其余各面均受到水壓；第二，圍堰組裝完成，圍堰內部沒有水，此時只有圍堰外部受到水壓[6，7]。

對于第一種情況，圍堰底邊單元底座受力情況如圖5所示，具體分析如下。

①自身重力G。底座是截面為直角梯形，長為2m的柱體（底座上矩形槽和立柱孔對其質量影響甚小，忽略不計）。其中，直角梯形上下底邊分別為0.2m和0.4m，高為0.4m，則底座的體積為：

[V=120.2+0.4×0.4×0.24m3] （6）

鋼材的密度為[ρ鋼]=7 800kg/m3，重力加速度取g=10N/kg。則底座重力為：

[G=ρ鋼Vg=18 720N] （7）

②底座側向水壓[FP1]。底座左右兩底邊受到側向水壓，上底邊側向壓力被下底邊部分水壓相消，即底座側向水壓為底座位于水深3.3～3.5m處水壓力：

[FP1=h1h2ρ水gh?l?dh=13 600N] （8）

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[h3]為3.1m，表面面積A=0.4×2=0.8m2，則底座受到正向水壓力為：

[FP2=ρ水gh3A=24 800N] （9）

④底座對邊坡壓力[FN]：

[FN=Fp1sinα+G+FP2cosα=45 231.46N] （10）

式中：[α]為邊坡的坡度角。

⑤底座所受邊坡摩擦力[Ff]：

[Ff=G+FP2sinα-Fp1cosα=7 334.8N] （11）

則底座與邊坡的摩擦系數為：

[f=FfFN=0.16] （12）

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，橡膠與濕混凝土面板間的附著系數為：[φ=0.4～0.6]。

經上述計算可知，所需摩擦系數[f≤φ]，即底座與邊坡之間的摩擦力足以保證底座穩定，不會出現下滑現象。

對于第二種情況，圍堰底邊單元底座受力情況如圖6所示，具體分析如下。

底座自身重力不變，即[G=18 720N]；但該情況增加了閘門鋼板及立柱的重力，其中閘門重力[G1=11 570N]，立柱的重力[G2=4 630N]。

此外，該情況雖然圍堰內側存在少許滲漏積水，但水深較淺，產生的水壓很小，可以忽略不計。因此，只有圍堰外部受到水的側壓力，包括底座受到水的側壓力和閘門板受到水的側壓力，其中閘門板入水深度3m以上的水的側壓力被支撐桿抵消掉，故單元底座受到總體側向水壓力為：

[F'P1=h'1h'2ρ水gh?l?dh=32 500N] （13）

由閘門板受到水的側壓力傳遞至底座，底座受到總體側向水壓力應為0.8[F'P1]。

底座上表面受到水的正向水壓力，該表面入水深[h3]=3.1m，但此時只有外側表面受到水的正壓力，受力面積[A']=0.5A=0.5×0.4×2=0.4m2，則底座受到正向水壓力為：

[F'P2=ρ水gh3A'=12 400N] （14）

則底座對邊坡壓力[F'N]：

[F'N=0.6F'P1sinα+G+G1+G1+F'P2cosα=54 220.22N] （15）

底座所受邊坡摩擦力[F'f]：

[F'f=G+G1+G1+F'P2sinα-0.6F'P1cosα=2 103.37N] （16）

底座與邊坡的摩擦系數為：

[f'=F'fF'N=0.04] （17）

此時，在重力和正向水壓力及側向水壓力作用下，底座有向上滑動的趨勢。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，橡膠與濕混凝土面板間的附著系數為：[φ=0.4～0.6]。

經上述計算可知，所需摩擦系數[f'≤φ]，即底座與邊坡之間的摩擦力足以保證底座穩定，不會出現上滑現象。

3.3 圍堰強度剛度分析

為了保證圍堰底座不發生滑動，需要滿足以下公式[8-14]：

[Fp1sinα-G+FP2cosα≤Fφ] （18）

式中：[Fp1sinα]為作用在圍堰上水的側壓力沿邊坡向上的分力；[G+FP2cosα]為單位長度圍堰重力及底座上表面受到的正向水壓力沿邊坡向下的分力；[Fφ]是沿邊坡的附著力。

由計算可知，底座下部橡膠和邊坡面板之間足以提供較大的摩擦力以滿足底座固定要求。

4 結論

本文主要對傳統擋水圍堰的優缺點進行分析，為設計出自沉式組合鋼圍堰奠定了基礎。對設計的圍堰平面結構和三維結構進行簡要介紹，對組合圍堰在渠道內進行施工作業時所承受的外界壓力及穩定性進行理論計算。結果表明，所設計的自沉式組合鋼圍堰能滿足穩定性要求。

參考文獻：

[1]張淑榮.水利施工中圍堰技術的應用分析[J].江西建材，2017（24）：114-117.

[2]黃玉峰.關于草土圍堰施工方法的探討[J].科技創新與應用，2014（27）：200.

[3]滕樹元.淺水區鋼板樁圍堰設計與施工技術研究[J].鐵道建筑技術，2017（4）：49-52.

[4]李維軍.淺析輸水洞土石圍堰施工技術[J].甘肅農業論壇，2017（20）：56-57.

[5]彭撞，許明君，陳德華.鋼筋混凝土拱圍堰在橋梁基礎施工中的應用[J].公路交通技術，2016（1）：71-73.

[6]曹丕文.淺談草土圍堰在水利水電施工中的應用[J].甘肅農業，2013（20）：89-90.

[7]鄭建鋼.別神化德國的“防洪神器”[N].京華時報，2016-07-10（3）.

[8]李明金，曹亮.如何解決圍堰結合部滲漏[N].黃河報，2014-12-11（3）.

[9]劉仕平，姚林曉.液壓與氣壓傳動[M].北京：電子工業出版社，2015.

[10]余志生.汽車理論[M].北京：機械農業出版社，2017.

[11]白新理.材料力學[M].北京：科學出版社，2013.

[12]余迎賓，賈剛.基于CATIA軟件的水工鋼閘門設計[J].水電站設計，2009（1）：17-21.

[13]單康成.遇水膨脹橡膠止水塞在防水堵漏工程中的應用[J].產品介紹經驗點滴，2017（5）：133.

[14]方茂.鋼板樁圍堰滲漏方式及處理方式的探討[J].工程與建設，2017（3）：405-421.