穿堤涵閘拆除重建典型設(shè)計(jì)

劉順萍 張健梁 李浩瑾 袁素梅

穿堤涵閘拆除重建典型設(shè)計(jì)

劉順萍 張健梁 李浩瑾 袁素梅

在河道治理工程中，兩岸堤防穿堤涵閘較多，但結(jié)構(gòu)大致相似，前期設(shè)計(jì)可挑選左右堤不同孔徑、不同流量、需要拆除重建的涵閘進(jìn)行典型設(shè)計(jì)。

河道治理 穿堤涵閘 拆除重建

1 工程布置

金鐘河蝦場三站閘在原閘位上重建，樁號(hào)為53+000，原閘共3-2 m×2 m，拆除重建為2-3 m×2 m，由進(jìn)口、穿堤涵管、出口三部分組成，由臨河側(cè)到背河側(cè)長度分別為10、36、17 m。

進(jìn)口段分別設(shè)漿砌石護(hù)坡、護(hù)坦、八字翼墻。兩岸八字翼墻與閘室順?biāo)鞣较驃A角為10°，翼墻段順?biāo)鞣较蜷L10 m，翼墻頂高程為1.70 m，最大墻高4.50 m，與兩側(cè)邊墩相接。進(jìn)口段引渠底寬7 m，兩岸邊坡為1∶2.5，全斷面漿砌石護(hù)砌，渠底高程-2.0 m，與原引渠自然順接。

涵洞與閘室段長36 m，閘室設(shè)在進(jìn)口，洞身為鋼筋混凝土整體式箱型結(jié)構(gòu)，中間設(shè)伸縮縫3道，縫內(nèi)設(shè)止水。閘室底板頂高程為-2.00 m，底板厚0.80 m。涵洞底板頂高程-2.00 m，底板厚0.5 m。涵洞臨河側(cè)、背河側(cè)設(shè)胸墻。閘室墩頂設(shè)排架支承雙T形梁機(jī)架橋，機(jī)架橋橋面高程4.955 m，長8.92 m，寬3.0 m。為了方便管理人員維修和操作，特設(shè)計(jì)鋼梯與機(jī)架橋橋面相連。

出口段設(shè)鋼筋混凝土消力池、漿砌石護(hù)底、八字翼墻及出口段排水渠。消力池長10 m，池深0.5 m，底板厚0.4 m，設(shè)Φ50PVC排水孔，底部做反濾；翼墻頂高程為2.00 m，最大墻高5.30 m，墻身設(shè)2排Φ50PVC排水管，并在墻后做反濾；漿砌石護(hù)底長7 m，兩側(cè)為1∶2.5漿砌石護(hù)坡；出口排水渠與原排水渠自然順接。

2 防滲設(shè)計(jì)

閘前最高水位3.71 m，閘后按無水計(jì)，最大水頭差5.71 m。閘基淤泥質(zhì)黏土滲徑系數(shù)取C=6，計(jì)算所需滲徑長度為34.26 m，設(shè)計(jì)閘基防滲長度36 m，滿足防滲要求。

3 消能防沖設(shè)計(jì)

3.1 消力池長度計(jì)算

消力池長度按下列公式進(jìn)行計(jì)算：

hc——收縮水深，m；

α——水流動(dòng)能校正系數(shù)，采用1.05；

q——過閘單寬流量，m2/s；

Lsj——消力池長度，m；

b1——消力池首端寬度，m；b2——消力池末端寬度，m；

T0——由消力池底板頂面算起的總勢能，m；

Ls——消力池斜坡段水平投影長度，m；

β——水躍長度校正系數(shù)，采用0.8；

Lj——水躍長度，m。

3.2 消力池底板厚度計(jì)算

根據(jù)抗沖要求，消力池底板厚度按下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中 t——消力池底板始端厚度，m

ΔH′——閘孔泄水時(shí)的上、下游水位差，m；

q——過閘單寬流量，m2/s；

k1——消力池底板計(jì)算系數(shù)，采用0.2。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)洪水情況下，過閘流量按10 m3/s計(jì)，需要消力池長度為9.77 m，消力池底板厚度0.345 m，本工程設(shè)計(jì)消力池長度為10 m，消力池底板厚度為0.4 m，滿足消能要求。

4 閘室穩(wěn)定計(jì)算

選取計(jì)算單元：進(jìn)口閘室與洞身結(jié)合段。

閘室穩(wěn)定計(jì)算公式：

kPa；

A——基底面的面積，m2；

ΣM——作用在計(jì)算段上全部豎向和水平向荷載對基底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m；

W——基底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3；

η——基底應(yīng)力不均勻系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果見表1。

計(jì)算結(jié)果表明，在各種計(jì)算情況下，閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范允許值；地震工況下基底最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之比不滿足規(guī)范要求，平均基底應(yīng)力均大于地基允許承載力，最大基底應(yīng)力均超過地基允許承載力的1.2倍。因此，需進(jìn)行地基處理。

表1 閘室穩(wěn)定計(jì)算成果表

5 翼墻穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算結(jié)果見表2。

在各種計(jì)算情況下，翼墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和地基應(yīng)力不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范允許值；但平均基底應(yīng)力均大于地基允許承載力，最大基底應(yīng)力均超過地基允許承載力的1.2倍，不滿足規(guī)范要求，因此，需進(jìn)行地基處理。

表2 翼墻穩(wěn)定計(jì)算成果表

6 閘室和翼墻地基沉降計(jì)算

閘室和翼墻地基沉降量計(jì)算采用單向壓縮分層總和法。

沉降計(jì)算采用公式：

式中 S∞——土質(zhì)地基最終沉降量，m；

n——土質(zhì)地基壓縮層計(jì)算深度范圍內(nèi)的土層數(shù)；

avi——基礎(chǔ)底面以下第i層土的壓縮系數(shù)，kPa-1；

e1i——基礎(chǔ)底面以下第i層土的初始孔隙比；

σzi——基礎(chǔ)底面以下第i層土的平均附加應(yīng)力，kPa；

hi——基礎(chǔ)底面以下第i層土的厚度，m；

m——地基沉降修正系數(shù)，可采用1.0～1.6（堅(jiān)實(shí)地基取較小者，軟土地基取較大者），本工程為軟土地基，取1.6。

經(jīng)計(jì)算，閘室和翼墻的最終沉降量分別為8.14 cm和13.56 cm，滿足SL 265—2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.3.6條最大沉降量不超過15 cm的要求；但相鄰部位最大沉降差為5.42 cm，不滿足天然地基相鄰部位最大沉降差不超過5 cm的要求，需進(jìn)行地基處理。

7 地基處理

該閘建基面高程為-2.8 m，下臥地層為淤泥質(zhì)黏土、黏土等，為中高等壓縮性土，地基允許承載力為60～90 kPa，為軟土地基。穿堤涵閘地基處理，應(yīng)遵循變形控制原則，重視相鄰建筑物以及建筑物與堤防之間的變形協(xié)調(diào)問題，以避免不均勻沉降造成滲透通道。

地基處理考慮采用水泥攪拌樁方案，水泥攪拌樁形成的復(fù)合地基最大限度地利用了原土，與剛性樁基相比，水泥攪拌樁所用材料少、投資小且更能適應(yīng)變形協(xié)調(diào)，樁體凝固后其物理力學(xué)性質(zhì)較天然土有較大變化，形成整體性強(qiáng)、且有足夠強(qiáng)度的復(fù)合地基，提高了地基承載力，減少了沉降量。

加固后攪拌樁復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，嚴(yán)格意義上應(yīng)通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定，可研設(shè)計(jì)時(shí)參照J(rèn)GJ 79—2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，按下式進(jìn)行估算：

式中 fsp,k——復(fù)合地基承載力特征值，kPa；

m——面積置換率；

Ap——樁的截面積，m2；

β——樁間土承載力折減系數(shù)，當(dāng)樁端土為軟土?xí)r取0.5～1.0，當(dāng)樁端土為硬土?xí)r取0.1～0.4，當(dāng)不考慮樁間軟土的作用時(shí)取0；

fs,k——樁間天然地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

η——強(qiáng)度折減系數(shù)，可取0.35～0.5；

fcu,k——與攪拌樁樁身加固土配比相同的室內(nèi)加固試塊的90 d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值，kPa；——樁間土的平均摩擦力，對淤泥可取5～8 kPa；對淤泥質(zhì)土可取 8～12 kPa；對黏性土可取12～15 kPa；

Up——樁周長，m；

l——樁長，m；

qp——樁端天然地基土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

a——樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，可取0.4～0.6。

經(jīng)計(jì)算，水泥攪拌樁采用直徑0.5 m，樁長7 m，樁間距1.2 m×1.2 m呈三角形布置時(shí)，復(fù)合地基承載力由原來的60 kPa提高至134.40 kPa，滿足地基承載力要求。采用水泥攪拌樁復(fù)合地基后，可有效地減少基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中和建筑物相鄰部位的沉降差問題。

劉順萍 女 工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

張健梁 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

李浩瑾 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

袁素梅 女 工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

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