《武汉工程大学学报》 2016年4期
376-381
出版日期：2016-08-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
空箱挡墙在云梦大闸中的应用
1 引 言随着社会的发展和技术的不断进步，水工建筑物对各项技术提出了更高的要求. 水闸是水利设施中的重要组成部分［1-2］， 因而，对水闸设计方面的要求相应的提高了［3］. 空箱挡土墙因为重力轻、地基应力分布均匀、效率高等优点成为水工建筑物最常用的方式，被广泛应用于水闸连接和水闸设计中［4］. 文献［5］将空箱式挡墙应用在水电站水闸连接段中，水闸通过空箱挡墙与左岸连接起来，正好综合性的满足了多项指标要求. 很多专家进行过有限元实验计算，证明有空箱挡墙比没有空箱挡墙的水闸在整体稳定性方面更加优越［6-7］. 正是因为空箱挡墙的诸多优点，它还被广泛应用在河堤工程、交通枢纽工程暗挖隧道以及溢洪道等工程中［8-10］. 本文将空箱挡土墙技术应用在云梦大闸的改建中，以增加水闸的整体稳定性，对整个闸室的安全稳定具有重要意义. 2 工程建设背景云梦大闸位于湖北省云梦县县河出口与府河左岸堤防交汇处，具体位置在沙河乡境内. 云梦大闸建于1960年，建成五十多年来，一直起着排涝灌溉任务，承雨面积110 km2，原设计最大过闸流量134 m3/s，排涝面积83.33 km2，灌溉面积106 km2，是一座Ⅲ等中型排、灌两用闸. 经安全鉴定，云梦大闸主要运用指标达不到设计标准，工程存在严重损坏，综合评定该闸为三类闸. 依据水闸运行管理的相关规程规定，三类水闸必须进行更新改造后，才能保证水闸安全运行. 根据该项目初步设计报告审查意见，云梦大闸除险加固方案为拆除重建闸室上部结构，加固闸底板和闸墩，拆除重建空箱挡墙等. 3 闸址区工程地质及地基加固处理措施闸址区揭露地层有填土、第四系全新统冲积物和白垩系砂砾岩全风化残积物，由上至下依次为素填土层（Qml）、淤泥质粉质黏土层（Q4l）、粉质黏土层（Q4al）、粉土层（Q4al）、粉质黏土层（Q4al）等. 各土层承载力和力学性质指标如表1所示. 云梦大闸所处地的工程地质剖面图如图1所示. 根据地勘补充地质钻孔资料，闸室左侧空箱式挡墙部分建基面为较深厚的淤泥质粉质黏土层，施打松木桩加固地基，右岸空箱挡墙建基面则进行基础换填，处理后地基承载力特征值fak=130 kPa. 4 空箱挡墙设计云梦水闸闸室两侧新建空箱挡墙对称布置，空箱挡墙顺水流方向长9.10 m，垂直水流方向宽16.4 m，底板呈阶梯型与闸室、堤防填土相接，墙高9.90 m ~13.10 m. 挡墙底板厚0.8 m，与闸室相邻边墙厚0.5 m，其余三面边墙厚0.6 m，纵横隔墙厚度均为0.4 m，共8孔箱格，其中1孔箱格填满开挖土料，利用空箱内填土、水重维持稳定. 图2是空箱挡墙平面图，图3是空箱挡墙纵剖面图. 纵横向隔墙设置[Φ]75PVC通气孔、排水孔，主要用于调节空箱内气压，使空箱内水位与河道水位保持一致，以免因为河道水位的变化而引起空箱内外水位出现落差，影响结构稳定. 5 空箱挡墙稳定性验算分析空箱地下轮廓线及典型段划分简图如图4所示. 根据《水闸设计规范》（SL265－2001）、《水工挡土墙设计规范》（SL379－2007）、《水工混凝土结构设计规范》（SL191－2008）、《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077－1997）和《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2011）分别进行渗流计算和稳定计算. 5.1 渗流计算根据规范，土基上空箱挡墙的渗流计算采用改进阻力系数法，共分3段，包括竖直段、空箱水平段、土层水平段. 计算过程如下：地基有效深度计算公式为：[Te=0.5L (L0/S05)Te=5L/(1.6L0/S0+2) (L0/S0<5)]， （1）式（1）中：[Te]为土基上空箱挡墙地基有效深度，m；[L0]为地下轮廓的水平投影长度，m；[S0]为地下轮廓的垂直投影长度，m. 当计算的[Te]值大于地基实际深度时，[Te]值应按地基实际深度采用. 分段阻力系数计算公式为：1）进出口段的阻力系数：[ε0=1.5ST1.5+0.441]， （2）式（2）中：S为板桩或齿墙的入土深度，m；T为地基透水层深度，m. 2）内部垂直段阻力系数：[εy=2πlnctgπ41-ST]. 3）水平段阻力系数：[εx=Lx-0.7S1+S2T] ， （3）式（3）中： [Lx]为水平段长度，m；[S1]、[S2]为进出口段板桩或齿墙的入土深度，m. 4）各段水头损失计算公式： [hi=εiΔH/εi] ， （4）式（4）中：[hi]为各分段水头损失值，m；[εi]为各分段的阻力系数. 5）进、出口段修正后的水头损失值：[h’0=β′h0h0=i=1nhiβ′=1.21-112T′T+2+S′/T+0.059] ， （5）式（5）中：[h’0]为进、出口段修正后的水头损失值，m；[h0]为进、出口段水头损失值，m；[β′]为阻力修正系数，当[β′1.0]时，取[β′=1.0]； S′为底板埋深与板桩入土深度之和，m； T′为板桩另一侧地基透水层深度，m. 6）出口段渗流坡降值计算公式：[J=h’0/S′]. 计算中考虑闸室段防渗的最不利工况，即防洪外水位31.83 m，内河最低水位24.20 m，上、下游水头差[Δ]H=7.63 m. 空箱底基础为粉质黏土，允许渗透坡降0.60. 水闸渗透稳定计算结果见表2. 根据表2显示的计算成果，空箱水平段渗流坡降最大值0.355<0.6，满足安全要求. 5.2 稳定计算根据《水工挡土墙设计规范》（SL379－2007），空箱挡墙基底应力计算公式为：[Pmaxmin=GA±MW] ， （6）式（6）中：[Pmaxmin]为挡墙基底应力的最大或最小值，kPa；[G]为作用在挡墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；A为挡墙基底面的面积，m2；[M]为作用在挡墙上全部竖向荷载对于水平面平行于前墙墙面方向形心轴的力矩之和，kN·m；W为挡墙基底面对于基底面平行前墙墙面方向形心轴的截面矩，m3. 土基上挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数： [Kc=fGH] ， （7）式（7）中：[f]为挡土墙基底面与地基间摩擦系数，粉质黏土地基， [f]取值0.3；[H]为作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载，kN. 根据规范，并结合挡墙实际运行情况，挡墙抗滑稳定及基底应力计算情况如表3所示. 表3的计算结果表明，基本荷载组合工况下，空箱基底应力的不均匀系数最大值为1.45<1.5，抗滑稳定安全系数最小值为3.71>1.25；特殊荷载组合工况下，空箱基底应力的不均匀系数为1.13<2.00，抗滑稳定安全系数最小值为2.67>1.10，均满足规范要求. 6 结 语本文将空箱挡土墙技术应用在云梦大闸的改建工程中，对整个闸室的安全稳定具有重要意义. 空箱挡土墙作为水闸闸室与两岸堤防的过渡段，可以降低作用在闸室边墩的边荷载，从而减小边墩应力，更进一步减小闸墩变形从而引起的闸门开启困难，以及闸室不均匀沉降等一系列类似问题；从另一个角度来看，闸室底板内力和地基应力的降低，在设计中进一步减小底板及边墩的厚度，使得地基应力变得均匀一致.