雙鉸底板在大跨度水閘工程中的應(yīng)用研究

常根朋

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

1 前 言

雙鉸底板最初被應(yīng)用于船閘工程中，因為船閘工程一般跨度較大，尤其是臨海船閘工程。而水閘工程跨度一般在10～20m之間，對于更大跨度的水閘工程，一般采用多跨形式，以滿足排澇行洪要求，需要考慮通航要求的水閘工程則單獨設(shè)孔。

本文介紹的串場河防洪閘位于串場河上，河口寬約30m，河底高程為-2.10m，為鹽城市主要航道，串場河防洪閘在滿足防洪排澇要求的同時還需滿足通航要求，參考相關(guān)規(guī)范及串場河上其他建筑物，確定閘孔凈寬24.0m，在該地區(qū)屬大跨度防洪閘，故采用雙鉸底板形式。

2 工程實例

2.1 工程概況

串場河防洪閘工程位于串場河與三墩港交匯處下游約200m處，所跨河道為Ⅴ級航道。

串場河防洪閘為開敞分離式結(jié)構(gòu)，閘室順?biāo)飨蜷L19.0m，垂直水流向?qū)?5.5m，通航孔凈寬24.0m，閘上布置公路橋1座，閘底板面高程為-2.5m、底高程為-4.5m，閘墩頂高程為4.3m。兩側(cè)墩墻結(jié)合液壓啟閉機布置采用空箱結(jié)構(gòu)，液壓啟閉機平臺高程3.3m。

公路等級為三級，汽車荷載為公路Ⅱ級，設(shè)計時速40km/h。

基礎(chǔ)采用φ50預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁低高程-18.0m。水閘設(shè)計見圖1。

圖1 水閘設(shè)計示意 (尺寸單位：cm)

2.2 地質(zhì)條件

勘區(qū)地層屬濱海相及濱海相成因類型，根據(jù)勘探揭示，工程地質(zhì)條件一般，其中：

a.第3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，局部為淤泥，屬軟土，流塑狀態(tài)，偶夾砂壤土薄層或團塊，見少量腐殖質(zhì)，較均勻，層底標(biāo)高-9.32m，壓縮模量2.4MPa，承載力特征值60kPa。

b.第4層粉質(zhì)黏土，可塑狀態(tài)，含鐵錳結(jié)核及少量礓石(最大塊徑2.5cm左右)，較均勻，層底標(biāo)高-13.82m，壓縮模量6.0MPa，承載力特征值160kPa。

c.第4B層輕粉質(zhì)壤土夾粉質(zhì)黏土中的輕粉質(zhì)壤土呈稍密狀態(tài)，局部中密狀態(tài)，粉質(zhì)黏土呈可塑狀態(tài)，偶夾輕粉質(zhì)砂壤土，含鐵錳結(jié)核及小礓石，不液化，不均勻，層底標(biāo)高-17.02m，壓縮模量5.2MPa，承載力特征值125kPa。

d.第5層粉砂，中密狀態(tài)，見小礓石及貝殼碎片，局部為輕粉質(zhì)砂壤土，不液化，欠均勻，層底標(biāo)高-19.02m，壓縮模量7.5MPa，承載力特征值160kPa。

e.閘底高程為-4.5m，位于第(3)層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，壓縮模量2.4MPa，承載力特征值60kPa，均較小。

3 底板結(jié)構(gòu)比選及設(shè)計

3.1 底板結(jié)構(gòu)比選

在防洪閘工程中，閘室是一個非常重要的部位，也是影響整個工程的主要因素，為獲得最佳結(jié)構(gòu)，設(shè)計了三種型式進行比選：?整體式平底板；?塊基型底板；?雙鉸型底板。這三種型式通航孔均為凈寬24m。比較如下：

a.整體式平底板結(jié)構(gòu)。閘室與兩側(cè)空箱共用一塊整底板，雖然整體性較好，但由于中跨為凈24 m閘室，跨度較大，總跨長57m，中跨底板至少需要3.0m厚，用鋼量高，結(jié)構(gòu)較重，加大了地基處理的工程量，因而土建造價也最高。

b.塊基型底板結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)采用三塊互不傳力的底板，底板可以采用不同厚度，便于分別進行地基處理。但是中間底板在檢修期不能滿足抗浮要求，需加厚底板到3.0m，加大了混凝土量，還加大了基坑開挖土方和地基處理工程量；也可以采用抗拔樁基礎(chǔ)通航孔底板，但底板下淤泥層較厚，抗拔樁較長，并不經(jīng)濟。

c.雙鉸底板結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)采用三塊底板，在底板之間采用鉸接使三塊底板傳力不傳矩，并在鉸接處設(shè)止水形成不透水的分離式結(jié)構(gòu)。對兩側(cè)空箱抗滑和中底板抗浮抗?jié)B都有利，可以降低地基處理工程量，還可以調(diào)整三塊底板下地基反力，使其分布盡量均勻，以減少地基不均勻沉降，缺點是中跨底板受力復(fù)雜。但這種型式地基處理和混凝土工程量都最小，結(jié)構(gòu)輕，也最經(jīng)濟。

從安全穩(wěn)定、適用經(jīng)濟、施工方便等因素綜合考慮，本防洪閘采用雙鉸底板結(jié)構(gòu)。

3.2 鉸接處設(shè)計

底板總厚2.0m，考慮上下面層設(shè)水平止水，各厚0.5m，中間以1∶1.0放坡做鉸，鉸寬、高均為1.0m，鉸接處結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 鉸接處結(jié)構(gòu) (單位：cm)

4 對雙鉸底板的研究分析

4.1 穩(wěn)定方面研究分析

對防洪閘塊基型底板和雙鉸型底板穩(wěn)定分別進行計算，通過量化來說明雙鉸底板的優(yōu)點，本次僅對垂直水流向進行計算。

4.1.1 塊基型底板計算公式

(1)

∑G——作用于空箱基礎(chǔ)底面的全部豎向荷載，kN；

A——空箱基底面的面積，m2；

∑M——作用于空箱基礎(chǔ)底面以上的全部豎向和水平向荷載對于基礎(chǔ)底面順?biāo)飨蛐涡妮S的力矩，kN·m；

W——空箱基礎(chǔ)底面對于該底面順?biāo)飨蛐涡妮S的截面矩，m3。

根據(jù)式(1)計算得：pmax=160.9kPa，pmin=70.2kPa，p平均=115.55kPa；

4.1.2 雙鉸型底板計算公式

雙鉸結(jié)構(gòu)，地基反力按折線分布假定，按靜力平衡條件求解。折線法是假定地基反力在整個基底上連續(xù)，且為折線分布；在鉸接處只傳遞水平力和垂直力，不傳遞彎矩。地基應(yīng)力按下列公式計算：

(2)

(3)

式中σ1——空箱前趾地基反力，kN/m2；

ΣV——作用于空箱上的垂直力總和，kN；

q——作用于底板上的均布荷載，kN/m2；

L——空箱底寬度與中底板半寬之和，m；

b——空箱底寬度，m；

σ2——空箱后踵與前趾的地基反力之差，kN/m2；

ΣM——作用于空箱段上所有荷載對鉸點的力矩和，kN·m；

a——中底板半寬，m。

根據(jù)上述公式計算得：σ1=84.30kPa，σ2=21.78kPa。則：Pmax=σ1+σ2=106.08kPa，Pmin=σ1=84.30kPa，P平均=95.19kPa。

4.1.3 雙鉸底板在穩(wěn)定方面的研究分析

塊基型計算空箱段地基反力平均值為115.55kPa，雙鉸型計算空箱段地基反力平均值為95.19kPa，兩者相差20.36kPa，根據(jù)底板尺寸，空箱段共減少重力5996.02kN。

防洪閘底板位于淤泥層，地基承載力僅為60kPa，本次采用管樁基礎(chǔ)，根據(jù)樁基計算空箱底板下共計布置130根φ50預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，采用雙鉸底板單樁可減少承載力46.12kN，單樁可減少長度2.44m，總計減少317.4m，根據(jù)管樁單價205元/m，單側(cè)空箱可減少投資6.5萬元，雙側(cè)共計節(jié)省13.0萬元。

通過上述計算，塊基型底板在垂直水流向重心偏通航孔側(cè)，偏心距為1.15m，雙鉸型底板垂直水流向重心偏空箱側(cè)，底板受力更合理。

檢修工況取上下游水位1.0m計算，兩側(cè)空箱分別向通航孔底板傳力5213.4kN，共計施加壓力10426.8kN；通航孔底板厚度僅為2.0m，內(nèi)外水位差為5.5m，不能滿足抗浮要求，需要加重1900kN，正常情況下可以通過加厚底板或采用抗拔樁處理，本次采用雙鉸底板彌補了檢修期通航孔底板抗浮問題，設(shè)計上可對底板不做加重或抗拔處理，為安全起見，串場河防洪閘仍采用了管樁處理。

4.2 內(nèi)力方面研究分析

對于內(nèi)力方面的研究分析，本文采用塊基型底板和雙鉸型底板進行比較。

4.2.1 模型建立

本次對結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算采用“Autobank7.7”軟件進行，頂板、底板及墩墻采用軟件內(nèi)梁單元、土層采用彈性材料模擬。

建立模型，見圖3(以雙鉸底板為例)。

4.2.2 成果對比

模型計算彎矩成果見圖4、圖5。

圖3 模型建立及網(wǎng)格劃分 (單位：kN)

圖4 雙鉸底板彎矩圖 (單位：kN·m)

圖5 塊基型底板彎矩圖 (單位：kN·m)

根據(jù)軟件輸出彎矩圖，統(tǒng)計彎矩見表1。

表1 各位置彎矩統(tǒng)計 單位：kN·m

4.2.3 雙鉸底板在內(nèi)力方面的研究分析

根據(jù)上述計算成果可以看出，塊基型底板結(jié)構(gòu)，通航孔底板承受彎矩小，而雙鉸底板彎矩相對較大，而邊孔出現(xiàn)相反情況，塊基型底板彎矩大，雙鉸底板彎矩小，邊中孔由于上方墩墻承受較大交通橋荷載故而彎矩均較大。

通過分析，可認為這是雙鉸在結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布上起到的調(diào)節(jié)作用。前文計算可知通航孔底板是不能靠自身滿足檢修期抗浮要求的，故而通航孔底板一般均較厚，本次通航孔底板(2.0m厚)相對空箱底板(1.2m厚)要厚0.8m，有能力承擔(dān)更大的彎矩，并根據(jù)配筋計算，可知通航孔底板在兩種底板結(jié)構(gòu)下，由彎矩計算的配筋率均小于最小配筋率，由此可知雙鉸底板雖然增加了通航孔底板的彎矩，但是未增加配筋量，未造成投資的增加，而邊孔彎矩的減少，也同時降低了底板配筋率，減少了工程投資，并縮短了底板裂縫寬度，結(jié)構(gòu)也更加安全。

4.3 沉降變形研究分析

對結(jié)構(gòu)沉降變形的研究分析主要通過查看空箱底板與通航孔底板分縫處變形情況，以更好地判斷底板止水工作情況。

通過軟件計算，可輸出分縫處變形情況，見圖6、圖7。

圖6 雙鉸底板鉸接處

圖7 塊基型底板分縫處

由圖6、圖7可知，雙鉸底板在分縫處沉降變形是連續(xù)的，不間斷的；而塊基型底板在分縫處變形是不連續(xù)的，間斷的。 設(shè)計上在分縫處均需要設(shè)置水平止水，以滿足滲徑長度和閘室檢修需要，雙鉸底板沉降連續(xù)，兩側(cè)沉降差不大，加上鉸接的保護，水平止水不會承受較大內(nèi)力，安全系數(shù)高；而塊基型底板分縫處兩側(cè)底板沉降差大，出現(xiàn)了斷崖式間斷，無其他保護措施，水平止水將承受較大內(nèi)力，極易撕裂漏水；由此可見雙鉸底板在分縫處變形良好。

5 結(jié)論及建議

本文通過對兩種底板結(jié)構(gòu)的對比研究，詳細介紹了雙鉸底板在大跨度水閘工程中的應(yīng)用優(yōu)勢，串場河防洪閘工程實施后，經(jīng)第三方檢測單位檢測，分縫處沉降差小，底板無漏水情況，工程運行良好。

雙鉸底板在水閘、閘站工程中的應(yīng)用工程案例較少，通過實際工程對雙鉸底板的計算和研究，認為結(jié)構(gòu)模型尚不能更好地模擬工程實際情況，并且樁基對閘室的影響也是一個復(fù)雜的課題，需要更加深入地研究。