王 潔楊 寧張耀乾

（1.南京市水利規(guī)劃設計院有限責任公司，江蘇南京 210022；2.南京市棲霞區(qū)水利局，江蘇南京 210005；3.南京市棲霞區(qū)龍?zhí)掇k事處水利管理服務站，江蘇南京 210057）

隨著工程技術水平的不斷提高，水閘單孔凈寬逐漸擴大到20～40 m，遠遠大于以往10 m左右及以下跨徑，且有的水閘為單塊整底板，即超出了《水閘設計規(guī)范》規(guī)定的分段長度。而底板作為水閘最重要的基礎部件，其結構應滿足功能需要并保證結構的安全及長期穩(wěn)定，因此，對大跨徑底板結構型式的研究是十分有必要的，對水閘工程的發(fā)展具有重要意義。

1 大跨徑水閘底板結構類型

1.1 實體結構底板

實體底板是傳統的水閘底板結構型式之一，大跨徑水閘中同樣可以采用此種型式。具體實例如：南京三汊河口閘，見圖1，共2孔，單孔凈寬40 m，底板厚2.5 m；無錫江尖水利樞紐節(jié)制閘，共3孔，單孔凈寬25 m，底板厚2.5 m；南京劃子口河閘，共1孔，凈寬30 m，底板厚2.5 m。3座水閘每孔均為獨立整底板，沉降縫位于閘墩之間，底板不設縫。

1.2 鋼筋混凝土空箱結構底板

鋼筋混凝土空箱底板為一種較新穎的結構型式，利用空箱部分，其在減小底板實體厚度的同時又增加了剛度。具體實例有：淮安楚州控制工程節(jié)制閘，見圖2，共1孔，凈寬30 m，底板總厚度為3.8 m，其中，空箱高度為2.2 m，上下層面板均為0.8 m厚；南京中山河閘，采用閘壩結合的結構型式，中間為一單孔水閘，兩側為溢流堰，閘孔凈寬24 m，閘門上游底板總厚度為3.8 m，其中，空箱高度為2.2 m，底板及頂板均為0.8 m厚，閘門下游底板為厚2.15 m的實體底板。兩座水閘均為獨立整底板，不設縫。

圖1 南京三汊河口閘橫剖面圖（單位：高程m，尺寸cm）

圖2 淮安楚州控制工程節(jié)制閘橫剖面圖（單位：高程m，尺寸cm）

圖3 上海蘇州河河口水閘橫剖面圖（單位：cm）

1.3 空箱鋼殼薄壁混凝土結構底板

上海蘇州河河口水閘，見圖3，單孔凈寬為100 m，閘底板借鑒大型沉管隧道工程管段的設計，底板采用空箱鋼殼薄壁混凝土結構，底板總長99 m，厚度為6.35～4.4 m。底板擱置在兩個邊閘墩和中墩之上，豎向類似簡支于3個閘墩之上的兩跨連續(xù)梁，同時，由于中墩提供的水平向約束力非常小，底板水平向又類似簡支于邊閘墩上的單跨箱梁。

2 底板結構型式分析

2.1 實體底板厚度分析

上述水閘底板單跨跨徑均較大，若按《水閘設計規(guī)范》中建議閘室底板厚度取閘孔凈寬的1/6～1/8，則底板厚度將達到3.00～6.67 m，屬于大體積混凝土，具有結構面積大、混凝土強度等級高、水泥用量多等特點，水泥水化所釋放的水化熱會產生較大的溫度變化和收縮變形，形成溫度應力，導致裂縫產生。因此，底板厚度應在適中的范圍內，既能滿足結構的要求，又能減少工程量，避免裂縫的產生。

目前，幾座已經建成使用的采用實體底板的大跨徑水閘，底板厚度均為2.5 m，與閘孔凈寬比為1/16～1/10，同時，為滿足底板結構強度的要求，南京三汊河口閘與劃子口河閘底板均采用C30混凝土，江尖水利樞紐節(jié)制閘底板采用C25混凝土。從配筋上看，3座水閘底板頂面主筋（跨徑方向）均采用直徑28 mm的HRB335級鋼筋，間距為100 mm；底面主筋江尖樞紐采用直徑25 mm的HRB335級鋼筋，間距為125 mm，另兩座均與頂面配筋相同。底板頂面配筋率為0.255%，底面配筋率為0.255%（江尖樞紐為0.163%），均大于工程設計時采用《水工混凝土結構設計規(guī)范》SL/T191-96）所規(guī)定的最小配筋率0.15%，所用鋼筋也屬于常用鋼筋，配筋較合理。底板厚度取值合理，既可以使配筋在合理范圍內，又有利于控制大體積混凝土在施工中由于溫度應力而產生裂縫。

2.2 鋼筋混凝土空箱結構底板受力分析

鋼筋混凝土空箱結構是用隔墻、上下層面板將水閘底板縱橫向均分隔成相互獨立的箱體，空箱凈寬可取2～3 m，空箱凈高一般為2.0～2.2 m，上下層面板厚度為0.8～1.0 m，底板總高度為3.6～4.2 m。圖4為淮安楚州控制工程節(jié)制閘底板水平向剖面圖，可以看出，通過設置垂直水流向的隔墻將底板設計成空箱結構，又通過設置順水流向的隔墻將空箱再次分隔成更小的相互獨立的隔倉，使空箱跨徑縮短，順水流向隔墻可以看作是垂直向隔墻所形成的“工”字形梁的肋板。這種空箱結構大大減小了底板的實體厚度，同時又利用縱橫向隔墻增強了底板的剛度。此種底板結構受力情況較為復雜，整體上看，底板成為多個“工”字形梁結構，而同時各隔倉上下層面板又成為四邊固支的雙向板結構。因此，底板內力計算時，隔墻應作為T形梁計算，而隔倉上下層面板應作為雙向板計算，有條件時應同時采用三維線彈性有限元方法進行計算。

2.3 空箱結構底板對閘室穩(wěn)定性的影響及優(yōu)化

傳統型式的實體結構底板，重量較重，對閘室抗滑及抗浮穩(wěn)定有利；而空箱結構底板由于板中空箱部分體積較大，底板實體厚度大大減小，自身重量相比實體底板也較輕，故在有水工況下浮托力較大，不利于閘室抗滑及抗浮穩(wěn)定。為滿足整體穩(wěn)定的要求，可在隔倉內填充土、砂等，為節(jié)省工程投資，也可以設置進水孔，向隔倉內充水，利用填充物的重量提高閘室整體穩(wěn)定性。水閘關門擋水時，由于上下游水頭差作用，底板最大應力位于上下游側，蘇州河河口水閘底板沉放就位后，為提高底板的整體穩(wěn)定性和增大局部截面的剛度，對底板橫向兩外側隔倉的部分艙位（中、邊墩附近）用混凝土填充，以起到減小底板最大壓應力的作用。

圖4 淮安楚州控制工程節(jié)制閘底板水平向剖面圖（單位：cm）

3 實體與空箱結構底板比較

3.1 跨徑適用情況比較

水閘跨徑越大，底板厚度也相對越厚，但厚度過大會使底板重量大幅度增加，閘底地基應力相應變大，而水閘多處于河口地區(qū)，地質條件為較差的軟土地基，地基處理難度更大。同時，大體積混凝土的水泥用量更多，水化熱大，更容易產生裂縫。而空箱結構能有效地減小底板實體厚度及自重，利用空箱增加了底板的總體高度，縱橫向隔墻又使剛度得到保證與提高，同時，空箱部分節(jié)省了大量的混凝土，有利于控制裂縫的產生，施工質量較好。因此，空箱結構比實體結構更適合大跨徑閘孔，且適用的跨徑范圍更大，如：單孔凈寬達到100 m的上海蘇州河河口水閘。

3.2 結構內力計算比較

閘室底板是整個閘室結構的基礎，是全面支承在地基上的一塊受力條件復雜的彈性基礎板，這樣的“結構—地基”體系應按空間問題分析其應力分布狀況，計算極為繁冗，因此，工程實踐中往往將其近似地簡化成平面問題，采用“截板成梁”的方法進行計算，地基反力一般采用彈性地基梁法計算。實體底板取單位寬度為脫離體，再按矩形截面構件計算正截面受彎承載力并配筋；而空箱結構底板由于底板不均勻，因此，應將垂直水流向的隔墻作為梁肋，將隔墻兩側各一半空箱寬度的上下層面板分別作為上下翼緣，組成“T”形截面構件計算正截面受彎承載力并配筋，上下層面板應按四周固支在縱橫向隔墻上的雙向板計算。另外，采用有限元方法計算空箱結構時，由于水閘結構整體模型可考慮底板內部順水流向隔墻的約束作用，計算的內力結果小于結構力學的計算結果。

3.3 施工質量

實體底板較空箱結構底板厚、混凝土用量大，水泥水化熱聚集在內部不易散發(fā)，易形成較大的內外溫差，內部產生壓應力，外部產生拉應力，如內外溫度差超過25℃時，則混凝土表面將產生裂縫，由此將給工程帶來嚴重危害。而空箱結構底板被隔倉分割成上下兩層面板，厚度大大減小，澆筑時也可將上下兩層分開澆筑，澆筑方量較實體底板大幅度減少，降低了裂縫產生的機率。但兩種結構底板混凝土用量相對均較大，施工過程中須采取有效措施控制裂縫的產生。

空箱結構雖然較實體底板混凝土用量較少，但總厚度方面卻大于實體底板。因此，在底板頂面高程相同情況下，空箱結構底板底面需挖得更深，增大了基坑內外水頭差，滲透壓力變大易引起砂性土地基發(fā)生流砂現象，給工程帶來較大危害，因此，對施工期降排水要求更高，增加了降排水難度。

4 結語

（1）實體結構和空箱結構均可用于大跨徑水閘閘室底板，但空箱結構剛度更大，自重較輕，更適合大跨徑結構，且可向空箱內填土或充水提高閘室整體穩(wěn)定性，但應特別注意施工期的降排水。

（2）實體結構底板厚度應控制在適當范圍內，不宜太厚，初步可按閘孔凈寬的1/16～1/10取用，底板配筋應在合理范圍內。施工時必須采取有效措施控制大體積混凝土結構裂縫的產生。

（3）空箱結構底板受力及計算更加復雜，宜同時采用結構力學方法與有限元法，保證結構安全。

［1］中華人民共和國水利部.水閘設計規(guī)范（SL265-2001）［S］.北京：中國水利水電出版社，2001.

［2］陳寶華，張世儒.水閘［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.

［3］陳峰，盧永金，吳維軍，盛軍.蘇州河河口水閘底板結構設計［J］.水利水運工程學報，2007（2）：36-41.