◎ 宋　輝　湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司

新型樁基透空式導(dǎo)流屏應(yīng)用與結(jié)構(gòu)特性研究

◎ 宋輝湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司

為了研究新型樁基透空式導(dǎo)流屏，針對(duì)沅水五強(qiáng)溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)存在的礙航問題，采用整體定床水流模型與遙控自航船模試驗(yàn)相結(jié)合的研究手段，驗(yàn)證五強(qiáng)溪水電站下游引航道改造設(shè)計(jì)方案的工程效果，并從改善通航條件、降低工程造價(jià)、便于維護(hù)等角度，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證優(yōu)化，提供試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)，為施工圖設(shè)計(jì)方案優(yōu)化比選提供科學(xué)依據(jù)。此外，通過分析新型樁基透空式導(dǎo)流屏主要材料性能、施工方法、工藝特性等，提出有利于工藝的應(yīng)用措施。

透空式 導(dǎo)流屏 結(jié)構(gòu) 特性

1.引言

新型樁基透空式導(dǎo)流屏是一種新型結(jié)構(gòu)，近年來受到越來越多的關(guān)注。這是因?yàn)閺墓こ淘靸r(jià)、施工、對(duì)環(huán)境的影響等方面，通過對(duì)空心防波堤的效果要好于固體防波堤。通過空氣導(dǎo)流式屏幕的因素很多，一個(gè)新的基礎(chǔ)，主要在波陡（H/L），相對(duì)水深（D），堤頂寬度（B）和浸泡的相對(duì)深度（a/H）。透水防波堤，波浪傳遞到堤防漫頂和傳輸是由兩部分組成，然后考慮波流相互作用的需要。五強(qiáng)溪水電站船閘下游引航道改造工程在初步設(shè)計(jì)階段只有數(shù)值模擬可供參考，初步設(shè)計(jì)采用浮堤樁基連系墩方案?，F(xiàn)針對(duì)該工程開展物理模型試驗(yàn)研究，并結(jié)合模型試驗(yàn)成果對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步優(yōu)化，施工圖設(shè)計(jì)擬采用深槽回填+樁基透空式導(dǎo)流屏方案。

2.新型樁基透空式導(dǎo)流屏應(yīng)用與結(jié)構(gòu)施工

本課題研究的五強(qiáng)溪水電站下游引航道的新型樁基透空式導(dǎo)流樁基透空式導(dǎo)流屏緊挨原導(dǎo)航布置，從上游至下游分別平行錯(cuò)位布置11個(gè)連系墩和10段插板，各聯(lián)系墩與原導(dǎo)航墻稍朝內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)19.1°，總長(zhǎng)218.523m。

2.1新型樁基透空式導(dǎo)流屏主要材料性能

（1）混凝土

樁基采用C30水下鋼筋砼；承臺(tái)、墩柱、插板采用C30鋼筋砼；預(yù)制塊采用C15砼；配制混凝土所采用的水泥、砂、石、水等材料及混凝土的配合比、拌制、運(yùn)輸和澆注應(yīng)符合《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》（JTS202-2011）和本工程施工招標(biāo)文件相關(guān)規(guī)定。

（2）普通鋼筋

普通混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋采用HRB400級(jí)、HPB300鋼筋。鋼筋型號(hào)HRB400，fy=360MPa；鋼筋型號(hào)HPB300，fy=270MPa。鋼筋標(biāo)準(zhǔn)必須符合GB1499-98、GB13013-1991及《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS151-2011）。

（3）鋼材

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)必須符合“GB/T1591-2006”的規(guī)定，選用的焊接材料應(yīng)符合“GB/T5117-2012”和“GB/T5118-2012”的要求，并與所采用的鋼材材質(zhì)和強(qiáng)度相適應(yīng)。

鋼板：采用《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB700-2006）規(guī)定的Q235B鋼板

2.2新型樁基透空式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)施工

（1）鋼圍堰施工

鋼圍堰采用雙壁鋼結(jié)構(gòu)，帶砂卵石回填和基床開挖后，潛水員找平，鋼圍堰直接沉放至平整基床上，底部四周做填筑防護(hù)。計(jì)劃安排水上承臺(tái)施工是在枯水期內(nèi)完成，因此鋼圍堰設(shè)計(jì)頂標(biāo)高按55m考慮，水下承臺(tái)底標(biāo)高最低的為39m，圍堰封底最低為36.5m，圍堰抽水后施工的最大水頭差17m，水流流速2.7米/秒，綜合考慮以上因素，本工程采用雙壁鋼圍堰進(jìn)行施工。為保證承臺(tái)施工，考慮水流速度較大，沉放過程中安裝偏差大，故鋼圍堰內(nèi)應(yīng)預(yù)留承臺(tái)模板施工作業(yè)空間。鋼套箱的加工要指定專業(yè)的企業(yè)進(jìn)行分塊加工，具體施工人員在接到設(shè)計(jì)圖紙后，應(yīng)組織人員進(jìn)行圖紙審核、設(shè)計(jì)交底，按照設(shè)計(jì)圖紙、相關(guān)規(guī)范及工藝進(jìn)行鋼套箱的加工。

（2）φ2500鉆孔樁施工

本工程有φ2500鉆孔樁36根，均距離岸側(cè)較遠(yuǎn)，故利用已沉放鋼圍堰搭設(shè)水上鋼平臺(tái)進(jìn)行鉆孔樁施工，鋼平臺(tái)圍堰沉放后分三次安裝。

2.3新型樁基透空式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)效果

樁基端承層為中風(fēng)化板巖，1#～7#墩樁基嵌巖深度不小于5.5m，且樁長(zhǎng)不小于12m，因此根據(jù)各墩實(shí)際地質(zhì)情況，各墩體樁底標(biāo)高分別定為：1#墩27.5m、2、5#墩24.0m、3、4#墩21.0m、6#墩26.0m、7#墩29.0m；考慮8#～11#墩結(jié)合實(shí)際地形采用重力式實(shí)體連系墩形式，要求基底奠基層為中風(fēng)化板巖，基底標(biāo)高均定為39.0m?？紤]導(dǎo)流屏主要功能是改善水流條件，且錯(cuò)位斜線布置，船舶無法靠近導(dǎo)流屏，且從工程經(jīng)濟(jì)角度考慮，導(dǎo)流屏墩體標(biāo)高僅需滿足擋流即可，工程最大通航流量7800m3/s時(shí)對(duì)應(yīng)下游水位為57.53m，連系墩墩頂標(biāo)高為58.5m。樁基墩體結(jié)構(gòu)形式結(jié)合地形情況進(jìn)行布置，導(dǎo)航堤堤頭下游存在深達(dá)15m的深槽，方案中有1#～7#墩位于該深槽范圍內(nèi)，為保證墩體下滿足樁基承載力要求，各墩體承臺(tái)底標(biāo)高分別為：1#墩39.5m、2#～5#墩40.0m、6#～7#墩41.5m。1#、6#～7#墩體承臺(tái)下通過4根直徑為2.5m的樁基與下部地基連接，2#～5#墩體承臺(tái)下通過6根直徑為2.5m的樁基與下部地基連接；而深槽以外8#～11#墩體底標(biāo)高為39.0m，墩體承臺(tái)直接坐落在中風(fēng)化板巖上。墩體及承臺(tái)采用C30鋼筋混凝土。墩體承臺(tái)下樁基采用C30鋼筋混凝土灌注樁。

相對(duì)布置的插槽之間凈距為17.5m，插槽寬0.84m。插板分為10塊等高插板分層排列，每塊插板高1m、寬0.8m、長(zhǎng)17.4m。插板采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上下層插板通過吊裝孔相互連接。為控制橫向水流透空，對(duì)口門深槽進(jìn)行回填，回填至標(biāo)高45m，深槽回填從上至下分別為：1.5m厚C15砼預(yù)制塊、6.5m厚20～50kg塊石、粒徑為20mm～50mm砂卵石；C 1 5砼預(yù)制塊尺寸為：1.5m×1.5m×1.5m（長(zhǎng)×寬×高），要求平整緊密擺設(shè)。

3.新型樁基透空式導(dǎo)流屏特性研究

根據(jù)試驗(yàn)分析分析，對(duì)擬建場(chǎng)區(qū)內(nèi)各巖土層物理力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)以及對(duì)擬建工程基礎(chǔ)形式和持力層的建議如下：沖填土：松散，成分較雜，為近期水力充填而成，厚度小，分布不均，物理力學(xué)性質(zhì)較差，應(yīng)予以清除，不宜作為擬建工程基礎(chǔ)持力層；強(qiáng)風(fēng)化板巖：巖質(zhì)軟，巖石破碎，現(xiàn)場(chǎng)重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)實(shí)測(cè)擊數(shù)大于50擊，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和本次勘察成果建議該層承載力設(shè)計(jì)值fd=350kPa。該層土物理力學(xué)性質(zhì)較好，承載力稍高，但厚度較小，分布不均，不宜作為擬建建筑物基礎(chǔ)持力層；中風(fēng)化板巖：屬較軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)，巖石飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)范圍值為19.4～50.6MPa，平均值為35.0 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值frk=31.6MPa。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和本次勘察成果建議該層承載力設(shè)計(jì)值fd=1500kPa。該層下伏于整個(gè)場(chǎng)區(qū)，厚度大，本次勘探未揭穿，力學(xué)性質(zhì)好，可以直接作為擬建建筑物基礎(chǔ)持力層。根據(jù)上述分析，結(jié)合擬建引航道浮式導(dǎo)航墻的結(jié)構(gòu)形式，建議基礎(chǔ)形式采用樁基礎(chǔ)，以中風(fēng)化板巖為基礎(chǔ)持力層，且基礎(chǔ)埋深必須通過驗(yàn)算并符合有關(guān)規(guī)范規(guī)定。

通過本文初步研究，為了展開更加深入研究應(yīng)該從以下幾方面考慮：

（1）以五強(qiáng)溪樞紐為背景，運(yùn)用浸入邊界法，建立船閘引航道口門區(qū)附近河段局部三維水流數(shù)學(xué)模型。并運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)無導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的引航道口門區(qū)三維水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)模擬，觀測(cè)三維流速分布，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型。

（2）運(yùn)用數(shù)學(xué)模型，增加有樁基透空式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)，選取不同水深與流速工況組合，開展樁基透空式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)對(duì)船閘口門區(qū)三維水流運(yùn)動(dòng)影響機(jī)理的研究，獲得底部水流橫（縱）向擴(kuò)散形態(tài)及垂向擴(kuò)散形態(tài)，以及導(dǎo)流墻下游擴(kuò)散段三維流場(chǎng)分布規(guī)律，研究在復(fù)雜水動(dòng)力條件下的船閘口門區(qū)主要流場(chǎng)分布形態(tài)，分析不良流態(tài)的產(chǎn)生條件，研究樁基透空式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)作用下的突擴(kuò)水流能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。

（3）運(yùn)用數(shù)學(xué)模型，選取不同透空高度與橫向間距組合試驗(yàn)方案，調(diào)整導(dǎo)流屏橫向間距及底部透空高度，開展樁基透空式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)研究，計(jì)算不同導(dǎo)流屏橫向間距、不同透空高度下引航道口門區(qū)三維流速分布，分析各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)船閘口門區(qū)三維水流結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

（4）根據(jù)能量守恒原理，以最大橫向流速0.3m/s控制標(biāo)準(zhǔn)，開展樁基透空式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與來流水動(dòng)力條件的相關(guān)性分析，確定影響口門區(qū)通航水流條件的關(guān)鍵因素，提出設(shè)計(jì)參數(shù)確定原則，確定樁基透空式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)適用范圍，為其它類似工程提供借鑒。

4.結(jié)論

五強(qiáng)溪樞紐船閘下游引航道口門區(qū)通航條件物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告可知，施工單位應(yīng)根據(jù)進(jìn)度要求制訂科學(xué)可行的施工組織設(shè)計(jì)，確保工程進(jìn)度和工程質(zhì)量，同時(shí)應(yīng)制訂嚴(yán)格的安全施工規(guī)程，確保施工人員安全。通過本論文論應(yīng)該要樁基透空式導(dǎo)流屏可達(dá)到水流沖擊不破壞的預(yù)期效果，適應(yīng)堤壩，河流水庫(kù)的擋板設(shè)置的相關(guān)類型工程。

［1］唐琰林.雙層水平板型透空式防波堤消波性能研究［D］.大連理工大學(xué)，2006.

［2］殷福安.擋板式透空堤透浪特性研究［D］.河海大學(xué)，2005.

［3］荊昆.防波堤設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)分析［D］.中國(guó)海洋大學(xué)，2005.