水利工程中水閘閘室與岸墻分離式設(shè)計(jì)研究

余鐘洋

(廣東華鼎新維設(shè)計(jì)工程有限公司，廣東 梅州 514000)

0 引 言

如今國(guó)家廣泛宣傳可持續(xù)理念，所以在可持續(xù)發(fā)展理念不斷發(fā)展的情況下，水資源就成為了國(guó)內(nèi)各界的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。而水利工程隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而不斷擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模，在水資源的利用與保護(hù)方面也起著十分重要的作用。在水利工程建設(shè)中，水閘設(shè)計(jì)是一個(gè)核心環(huán)節(jié)，對(duì)于防范洪水、水路運(yùn)輸、農(nóng)田灌溉和排澇抗旱等功能的發(fā)揮均會(huì)起到非常重要的作用。所以需要對(duì)水利工程的設(shè)計(jì)中存在的一些缺陷和問(wèn)題進(jìn)行研究和討論，并找到收益最高的解決方法，以提高水利工程的整體質(zhì)量，使該工程能充分發(fā)揮其功能[1]。

我國(guó)部分地區(qū)地勢(shì)較為平緩，農(nóng)業(yè)發(fā)展很好，易出現(xiàn)洪澇現(xiàn)象，為防止洪澇災(zāi)害的發(fā)生，滿(mǎn)足農(nóng)藥灌溉和水源運(yùn)輸?shù)男枨?，我?guó)大部分的水利工程都需要修建水閘[2]。由于混凝土結(jié)構(gòu)整體的完整性強(qiáng)、材料密度大，所以閘室多采用整體式結(jié)構(gòu)，閘室與岸墻的連接方式多采用分離式結(jié)構(gòu)，閘墩需要至少與一側(cè)的底板進(jìn)行連接。這樣可以使閘室的整體性好、密度大，可以減少很多質(zhì)量問(wèn)題[3]。而且在不同的河道中，如果想有效地控制河流的流速、流量和水面高度，或者防止泥土在渠道中沉積也對(duì)建設(shè)水閘提出了要求。不僅可以用水閘擋水，還可以利用水閘泄洪，通過(guò)控制閘門(mén)的開(kāi)關(guān)還可以調(diào)節(jié)渠道中水面的高度。

為了減少水利工程中水閘建設(shè)的地基沉降量，進(jìn)而提升水利工程的工程質(zhì)量，文章針對(duì)水閘閘室與岸墻分離式設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 工程概況及準(zhǔn)備

文章以某水利工程為例，通過(guò)建設(shè)公路橋、水泵站、水閘，對(duì)整體水利工程進(jìn)行施工。泵閘為運(yùn)輸?shù)臉屑~部分，水閘需要使用高密度、延展性強(qiáng)的材料。水閘處于公路橋兩邊的閘墩中，閘墩的最上面設(shè)置公路橋。接著在底板上設(shè)置十個(gè)排水孔，中間位置的最上面設(shè)置交通橋，中間的閘門(mén)為1000m寬，兩側(cè)的閘墩設(shè)置為500m寬。兩側(cè)的閘墩是對(duì)稱(chēng)的，閘墩也被當(dāng)做橋墩使用。

接下來(lái)采用分離式方法來(lái)對(duì)閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用底板結(jié)構(gòu)型式的建設(shè)方法對(duì)交通橋進(jìn)行搭建。這樣在水閘下方的交通橋的橋面也不會(huì)出現(xiàn)被淹沒(méi)的情況，可以保證公路上面的行車(chē)安全。接著在閘墩的中間部分安裝弧型支架，這樣就不用再單獨(dú)安裝其余的支架來(lái)支撐橋面，這樣可以使閘室占用的空間變小。而且采用分離式方法搭建的閘室的受力點(diǎn)相對(duì)來(lái)說(shuō)更加均勻，所以在閘墩之下施工時(shí)，要采用灌柱來(lái)支撐橋面，這樣可以使地基的承受能力大幅度地提升，可以有效防止地基出現(xiàn)塌陷或下降的情況，最后水閘的底板只需要進(jìn)行基礎(chǔ)的材料填充，不用進(jìn)行更精密的材料處理，這樣也能在一定程度上減少施工資金[4]。

分離式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)整體式結(jié)構(gòu)在費(fèi)用花費(fèi)、功能效益等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2 基于止水技術(shù)的水閘閘室與岸墻分離式設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)岸墻結(jié)構(gòu)

在水閘搭建之前先進(jìn)行岸墻的設(shè)計(jì)，岸墻是閘室與河邊連接和過(guò)渡的不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)，其主要作用是保護(hù)河岸不塌陷。還可以減小地基壓力對(duì)閘室產(chǎn)生的影響，并對(duì)閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體性的優(yōu)化，增大滲透密度等。岸墻一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部設(shè)承重梁，中部為空心設(shè)計(jì)，可以節(jié)省資源，這種結(jié)構(gòu)可以依靠自身的重量平衡來(lái)維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。如果施工過(guò)程中操作不當(dāng)，岸墻與閘室間的水面差會(huì)變大，使部分底板開(kāi)裂或止水閥被拉裂，就會(huì)發(fā)生漏水的情況，甚至還會(huì)導(dǎo)致閘室被擠壓發(fā)生形變、使水閥開(kāi)啟變得困難[5]。所以岸墻與閘室的連接方式對(duì)水閘的質(zhì)量安全有很大的影響。因此對(duì)連接方式的合理選擇是施工人員所要思考的主要問(wèn)題。

施工時(shí)對(duì)岸墻和閘室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分離式設(shè)計(jì)，在河邊的兩岸進(jìn)行對(duì)稱(chēng)搭建，整體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。岸墻上流的長(zhǎng)度為2km，水閘的底部寬500m，對(duì)稱(chēng)的圍墻寬400m。設(shè)置岸墻的底板厚度為50m，兩邊的寬度為30m，連接處的寬度為10m。為了施工進(jìn)行得更加方便，要在中間設(shè)置一道水平的隔板，以增加岸墻的抗壓性。岸墻的前部與閘室的兩邊的閘墩的平行距離為20m，兩面墻之間需要填上填充材料。岸墻的上面板為鋼筋搭建成的金屬板，其中橋面板厚50m，其余面板厚度為30m。岸墻的下游上空設(shè)置交通橋，和水閘上方的公路橋施工情況相同。為增加岸墻的抗水壓力，采用4層的磚石混合結(jié)構(gòu)。為了增強(qiáng)岸墻的摩擦力，減小地基的壓力，在填土?xí)r需要設(shè)置多個(gè)隔欄，使露出的墻面形成混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)。為了增加岸墻的穩(wěn)定性，需要減小地基面積，混凝土結(jié)構(gòu)的墻體的底高設(shè)定為20m。需要鋪設(shè)20層鋼筋材料，地面以下鋼筋長(zhǎng)度5m，地面以上的長(zhǎng)度為10m。岸墻中的抗壓面采用剛性材料，排水面要控制滲漏情況，維持滲透性能的穩(wěn)定，減少水沖擊力帶來(lái)的摩擦效果。

2.2 設(shè)計(jì)閘室

為了增強(qiáng)閘室結(jié)構(gòu)橫向的緊密程度，在閘室中層設(shè)置橫梁[6]。橫梁需要從上游開(kāi)始，往下游進(jìn)行等距的布設(shè)，布置間距一般為20m。中隔梁也可以在主門(mén)閥位置時(shí)作為胸墻使用。閘墩采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中間的閘墩厚，兩邊的閘墩較薄。一般主門(mén)閥都設(shè)立在在閘墩偏上游的位置，門(mén)閥寬2m。在主門(mén)閥的上游和下游分別設(shè)一道檢測(cè)閥門(mén)，檢測(cè)閥門(mén)為1m寬。在頂部的主門(mén)閥兩側(cè)搭建檢修通橋，橋面高10m，寬4m。閘室的下游設(shè)置一道公路橋，長(zhǎng)10m，寬6m，兩邊各設(shè)一條人行通道。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)總體的堅(jiān)硬程度，對(duì)通橋和公路橋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的混凝土澆筑，閘墩進(jìn)行緊密地連接?；谥顾夹g(shù)的設(shè)計(jì)，需要在閘墩頂?shù)闹鏖T(mén)閥兩側(cè)安裝止水控制臺(tái)支架，架柱斷面的面積為3m2，閘墩中間設(shè)置一道橫梁，頂部設(shè)置承重梁，梁斷面的面積為5m2。支架上面分為控制臺(tái)與發(fā)電機(jī)，控制臺(tái)的支撐梁為雙T型結(jié)構(gòu)，控制臺(tái)總寬為5m。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2016)計(jì)算閘門(mén)閘孔的寬度，具體如式(1)所示：

(1)

式中：B為閘孔的寬度；Q為引用流量；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)，設(shè)為0.8；σ為堰流淹沒(méi)系數(shù)，設(shè)為0.95；H為閘孔下水的深度；g為重力加速度為9.8m/s，通過(guò)計(jì)算得出其兩側(cè)孔口的寬度為5m。

2.3 設(shè)置過(guò)渡帶

為了防止岸墻和閘墩之間會(huì)因?yàn)樗牧鲃?dòng)引發(fā)長(zhǎng)期的摩擦，所以必須在他們之間設(shè)置過(guò)渡帶。過(guò)渡帶可以使兩者之間保持足夠的距離，接著利用連接物將過(guò)渡帶和墻體連接起來(lái)。在河岸的上、下游和中間位置都要設(shè)置連接物，并在他們中間設(shè)置對(duì)應(yīng)的水閥，確保該連接物下方的地基不會(huì)出現(xiàn)沉降和漏水的情況，而且閘室兩側(cè)的連接物需要采用混凝土澆筑的方式來(lái)搭建。等到工程馬上完成時(shí)，而且地基的沉降程度基本穩(wěn)定之后，再進(jìn)行第二次的混凝土澆筑。這樣可以使兩側(cè)墻體的使用有效期變長(zhǎng)，使地基的沉降量大大減少。有一些建設(shè)地點(diǎn)還存在軟土地基，為了減少其土質(zhì)帶來(lái)的不利影響，在搭建過(guò)渡帶之后也要利用止水技術(shù)對(duì)地基進(jìn)行處理。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2016)計(jì)算過(guò)渡帶的總長(zhǎng)度和寬度如公式(2)所示：

Q1=u×(w+p×b)∑δ′

(2)

式中：Q1為止水抵抗指數(shù)；u為摩擦系數(shù)；w為摩擦阻力；p為過(guò)渡帶表面的平均水壓；b為過(guò)渡帶受壓寬度；δ為過(guò)渡帶總長(zhǎng)。通過(guò)計(jì)算設(shè)置過(guò)渡帶的寬度為2m，墻間需要回填黏性土，過(guò)渡帶的總長(zhǎng)度為3m。

2.4 布置地基

由于岸上的地質(zhì)條件和地基會(huì)對(duì)工程有一定的影響，所以不同地基的岸墻受力大小也有所不同。因?yàn)檐浫醯鼗?jīng)常會(huì)被水淹沒(méi)從而變的泥濘，所以文章選用止水技術(shù)來(lái)降低土壤的水澇程度，使土壤變得干燥，減少土壤之間的裂縫。對(duì)于泥濘的土壤我們有兩種處理方式，可以選用混合石料來(lái)增加土壤的密度，使水分相對(duì)整體的比例來(lái)說(shuō)有所減小，而且砂石還可以增強(qiáng)其承重程度。還可以采用壓力機(jī)制對(duì)地基進(jìn)行局部施壓，使一部分的水排出土壤。這樣可以減小土壤的泥濘程度，還加強(qiáng)了地基的穩(wěn)定性，從根本上改變了軟土地基的材料質(zhì)量問(wèn)題，使地基變得更穩(wěn)固。

對(duì)于軟土地基我們要從土壤的本質(zhì)上對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)，文章選用砂石來(lái)進(jìn)行混合，砂石在承重和透水的效果上有特別突出的優(yōu)勢(shì)，不會(huì)像沙土一樣只要遇到水就會(huì)變成一灘泥。為了進(jìn)一步加強(qiáng)此地基區(qū)域的承重能力，在進(jìn)行填埋的時(shí)候要對(duì)混合材料進(jìn)行壓實(shí)，這樣可以減少泥土之間的縫隙。在有強(qiáng)力的水通過(guò)時(shí)，才能抵抗住流水帶來(lái)的壓力。在對(duì)地基進(jìn)行挖掘時(shí)，我們還需要考慮軟土有多深。太多的挖掘會(huì)導(dǎo)致地下的土壤結(jié)構(gòu)被破壞，而且還會(huì)浪費(fèi)更多的資金。所以在進(jìn)行地基搭建前，要精準(zhǔn)測(cè)量軟土的深度，并選擇適合的泥土進(jìn)行填充，保證填充材料的質(zhì)量，這樣才能使之后的施工可以更好地完成[7]。

在施工的前期，由于岸墻會(huì)不斷地受到土壤擠壓，會(huì)導(dǎo)致向前傾斜。在施工后期地基會(huì)開(kāi)始沉降，水的沖擊壓力也會(huì)越來(lái)越大，也會(huì)導(dǎo)致岸墻后倒，所以工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免岸墻長(zhǎng)期受到擠壓或摩擦。施工時(shí)閘室內(nèi)的連接物在垂直鋼筋位置進(jìn)行混凝土澆筑，在工程快要完成時(shí)或者地基已經(jīng)沉降到一定程度時(shí)，再進(jìn)行第二次混凝土澆筑，這樣可以使兩個(gè)岸墻之間的沉降程度減小。文章使用復(fù)合材料來(lái)搭建地基，并在地基結(jié)構(gòu)中安裝土木格來(lái)減少結(jié)構(gòu)上的水平方向壓力，減少地基與水閘之間的高度差，增加整體地基的穩(wěn)定性。

3 施工結(jié)果及分析

對(duì)整體的工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，受施工條件的影響，施工步驟如下：先對(duì)岸墻地基進(jìn)行處理，地基結(jié)構(gòu)中采用支撐柱處理，渠道的上、下游兩側(cè)和中間部分設(shè)置過(guò)渡帶。而且施工過(guò)程需要的速度需要下降，這樣可以更好地觀測(cè)地基的沉降程度。該水利工程的水閘設(shè)置于兩側(cè)閘墩中，閘墩上方設(shè)置公路橋，底板處設(shè)置10個(gè)排水孔，在其上方設(shè)置交通橋。中間閘門(mén)寬為1000m，兩側(cè)閘墩寬為500m?，F(xiàn)根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2016)計(jì)算沉降量，具體過(guò)程如公式(3)所示：

(3)

式中：S為最終的地基沉降量；n為地基中的受到壓力的層數(shù)；e1i為第i層土在平均自重應(yīng)力作用下的壓縮向量的孔隙比；e2i為第i層土在平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力作用下的壓縮向量的孔隙比；hi為第i層土的厚度；m為地基沉降量的修正系數(shù)。比較預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果的沉降量如表1所示。

表1 沉降量對(duì)比表

通過(guò)預(yù)測(cè)沉降量和實(shí)際測(cè)量沉降量的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在同一層數(shù)下，基于止水技術(shù)的水閘閘室與岸墻分離式設(shè)計(jì)可以減少地基的沉降量可以使工程的保質(zhì)期延長(zhǎng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

岸墻與閘室分離式的設(shè)計(jì)方法可以選擇適用各種地基的不同類(lèi)型的水閘，確保能夠有效地進(jìn)行止水。結(jié)合以上所說(shuō)，在閘墩下面設(shè)置灌樁之后，底板的下表面就不需要進(jìn)行混凝土的澆筑，節(jié)省了不少的施工開(kāi)銷(xiāo)。在以后的研究中，更要深入研究閘墩的基礎(chǔ)地基，采用更好的地基材料可有效減少閘室地基出現(xiàn)沉降的情況。對(duì)于底板的上表面和閘墩中的水面高度位置要進(jìn)行更細(xì)致的計(jì)算，這樣可以防止垂直的受力鋼筋被壓壞，不但方便了施工人員對(duì)閘門(mén)的搭建還保證了整個(gè)水利工程的質(zhì)量。