王西青

(安徽省阜陽市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 阜陽 236000)

岸墻作為水閘與兩岸連接的主要建筑物，具有重要的作用，擔(dān)負(fù)著5個(gè)重要任務(wù)：①擋土，保護(hù)兩岸免受過閘水流沖刷，維持河岸穩(wěn)定；②導(dǎo)流，引導(dǎo)水流平順過閘，并使出閘水流均勻擴(kuò)散；③阻止側(cè)向繞滲防止與其相連的岸坡產(chǎn)生滲透變形；④抗沖，保護(hù)兩岸不受過閘水流沖刷；⑤改善閘室受力狀態(tài)，減少閘室與兩岸的不均勻沉降及沉降對(duì)閘室應(yīng)力的影響。因此，應(yīng)重視其布置形式的選擇。

1 工程概況

黑茨河閘20年一遇行洪流量1114m3/s，屬大(2)型水閘，主要建筑物級(jí)別為2級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地基本地震動(dòng)峰值加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期值為0.45s，工程抗震設(shè)防類別為乙級(jí)，該閘7孔開敞式結(jié)構(gòu)，閘孔總凈寬78m，節(jié)制閘共5孔分2聯(lián)，每孔凈寬10m，通航孔共2孔，每孔凈寬14m，閘室總寬度117m(含空箱岸墻)，如圖1所示。

圖1 黑茨河閘結(jié)構(gòu)圖

2 岸墻的布置形式

一般岸墻與閘室相配合，與閘墩平行布置，上下游方向長度與閘墩相同，常見的閘室與岸墻布置形式有：邊墩代替岸墻、邊墩與岸墻分開及邊墩與岸墻結(jié)合等。黑茨河閘采取了一種新的岸墻布置形式，即閘室與岸墻整體設(shè)計(jì)。

2.1 邊墩代替岸墻

以閘室邊墩代替岸墻，多用于中小型水閘，其閘孔較少，閘室高度較小，地基承載力較大，整個(gè)閘室不分段，閘室兩側(cè)邊墻所承受的土壓力可以互相平衡，如圖2所示。

圖2 邊墩代替岸墻

2.2 邊墩與岸墻分開

當(dāng)閘室較高、孔數(shù)較多及地基軟弱時(shí)，在閘墩上分縫，岸墻則緊靠閘室邊墩，僅以變形縫分隔，使邊墩免受側(cè)向土壓力的作用，縫間的閘段自成一體，地基發(fā)生不均勻沉降時(shí)，閘孔不致變形，閘門能夠順利啟閉，無礙于水閘的正常運(yùn)行，但修建縫墩比較復(fù)雜，而且其總厚度大于中墩，導(dǎo)致水閘總工程量加大，施工周期加長，如圖3所示。

2.3 邊墩與岸墻結(jié)合

當(dāng)閘室在底板上分縫時(shí)，常以岸墻兼作閘室邊墻，閘室底板成為雙懸臂梁結(jié)構(gòu)，這種布置形式既減少了閘的總寬度，節(jié)省了工程量，又可縮短工期。這時(shí)宜把閘室的邊跨作為底板分縫跨，使岸墻所承受的側(cè)向土壓力不影響或少影響其他閘跨，岸墻多做成空箱形式，這是為了減輕閘室重量，使其基底的平均荷載強(qiáng)度盡可能接近閘室基底的平均荷載強(qiáng)度，減小不均勻沉降，但該結(jié)構(gòu)整體性差，對(duì)地基變形很敏感，抗震性能也差，不均勻沉降將導(dǎo)致閘孔變形，使閘門啟閉困難，適用于地質(zhì)條件較好的地基，如圖4所示。

圖4 邊墩與岸墻結(jié)合

2.4 閘室與岸墻整體設(shè)計(jì)

設(shè)置橋頭堡的空箱岸墻完建期基底壓力一般為閘室的1.5倍以上，因此，可能產(chǎn)生大的不均勻沉降，特別是在閘室較高或地基軟弱的條件下更為突出，岸墻后的填土荷載強(qiáng)度也遠(yuǎn)大于閘室基底和空箱岸墻基底的荷載強(qiáng)度，岸墻受墻后填土邊荷載的影響，常常向填土方向傾斜，施工期、完建期及運(yùn)行早期，由于受兩岸土壓力的作用，岸墻向前(河道內(nèi))傾斜，后期受地基沉降和邊荷載的影響，其可能后仰，岸墻與閘室邊墩之間的變形縫頂部張開的現(xiàn)象屢見不鮮，在地基軟弱，壓縮性較大的情況下，還會(huì)引起閘室的傾斜。黑茨河閘勘察揭示其地基土層層面平緩，厚度均勻，屬均勻地基，地基土層為新近堆積土層，強(qiáng)度較低?？紤]閘室地基條件和結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)、施工方法和措施等因素，采取了一種新的岸墻布置形式，即閘室與岸墻整體設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 閘室與岸墻整體設(shè)計(jì)

3 穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)SL 265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，閘室基底應(yīng)力應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)布置及受力情況，按第7.3.4條規(guī)定進(jìn)行計(jì)算；土基上閘室基底應(yīng)力最大值與最小值之比小于允許值，應(yīng)符合表7.3.5的規(guī)定；土基上沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，按第7.3.6條規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 黑茨河閘穩(wěn)定計(jì)算成果表(完建期)

由于計(jì)算工況較多，表1只列出完建期，計(jì)算成果表明，邊墩與岸墻分開方案岸墻的最大地基反力達(dá)178.49kPa；當(dāng)采用閘室與岸墻整體設(shè)計(jì)方案時(shí)，地基反力趨向均勻，減小了最大地基反力，降低了地基處理強(qiáng)度，節(jié)約了工程投資。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 計(jì)算軟件選擇

利用河海大學(xué)Autobank7.77水工設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，計(jì)算模型如圖6所示。其計(jì)算主要步驟如下：

圖6 閘室與岸墻整體設(shè)計(jì)方案計(jì)算模型

(1)定義材料：用“材料”菜單中的“梁/桿材料”為梁或桿賦予材料參數(shù)。

(2)繪制分區(qū)、劃分網(wǎng)格：在AutoCAD中用多義線或圓弧繪制桿系結(jié)構(gòu)的軸線，如果截面不同，則應(yīng)該采用“梁/桿”菜單中的“梁?jiǎn)卧被颉皸U單元”將多義線定義為梁或桿。

(3)設(shè)置材料及其加載步：材料分區(qū)、荷載、邊界、彎矩圖等對(duì)象均有屬性表，用戶可以在屬性表中修改形狀、加載步、值等屬性。當(dāng)唯一選中某對(duì)象時(shí)，屬性表顯示，若選中多個(gè)對(duì)象，右擊可以取消再選。

(4)定義荷載及其加載步：定義位移邊界條件和荷載，荷載可以考慮分批加載。為得到較真實(shí)的地基應(yīng)力，可先計(jì)算地基(位移清零)，加載步0為地基重力；完建期的荷載為重力，加載步1為結(jié)構(gòu)材料分區(qū)；加載步2為運(yùn)行期的荷載。

(5)設(shè)置位移邊界約束：通?？扇〉走吶s束，兩邊限制水平位移。

(6)建立求解任務(wù)列表、求解：用“求解”中“定義工程并更新數(shù)據(jù)”，形成求解所用的數(shù)據(jù)文件。用“求解”菜單中“求解變形與應(yīng)力”開始求解。

(7)查看結(jié)果：用“結(jié)果”菜單中的“內(nèi)力圖”看計(jì)算結(jié)果。

4.2 計(jì)算成果

由于計(jì)算工況較多，如圖7—8所示只列出完建期閘室岸墻彎矩圖，計(jì)算成果表明，閘室與岸墻整體設(shè)計(jì)方案通航孔閘室底板彎矩減少了30%，避免底板過厚。

圖8 閘室與岸墻整體設(shè)計(jì)方案彎矩圖

5 結(jié)論

閘室與岸墻整體設(shè)計(jì)方案在黑茨河閘工程兩岸連接中的合理運(yùn)用，不僅少設(shè)置1道分縫，減少了施工工序，還在防滲方面減少了1個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，方案結(jié)構(gòu)整體性好，對(duì)地基不均勻沉降的適應(yīng)性強(qiáng)，具有較好的抗震性能；同時(shí)地基反力趨向均勻，減小了最大地基反力，降低了地基處理強(qiáng)度，減小了底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力，避免底板過厚、配筋過多，節(jié)約了工程投資，為讀者提供1個(gè)設(shè)計(jì)思路。但該方案荷載分析及結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐稚詮?fù)雜，需利用有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，方可快速便捷地計(jì)算出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形及沉降等參數(shù)。