大型水闸连续反拱底板加固技术研究

周灿华，樊 旭，蔡 平

（江苏省江都水利工程管理处，225200，江都）

一、问题的提出

太平闸是淮河入江水道的大型控制工程之一，建于20世纪70年代初期。该闸建设时为了节省投资，进行了不少设计革新，采用了当时推广的反拱底板正拱公路桥（工作便桥）、浆砌块石闸墩、混凝土薄壳闸门等特殊的结构形式。全闸共24孔，每孔净宽6.0 m，闸室总宽167 m。闸底板为混凝土连续反拱结构，24孔不分缝，并与岸墙连成整体。该结构形式对水闸不均匀沉降的适应能力明显不足，容易导致底板出现裂缝等隐患。2009年检查发现该闸10号孔闸室内有一条顺水流向通长裂缝，宽度约1 mm，裂缝有多处混凝土剥落现象。

为了分析评估闸底板的安全状况，在建立闸室地基系统三维有限元模型的基础上，依据太平闸长期垂直位移观测数据，对地基的变形模量进行了反分析，进而采用三维有限单元法对该闸地基系统进行了应力变形分析。分析计算结果表明：由于10号底板部分开裂，系统顺河向位移、竖向位移有小幅增加，有15孔反拱底板最大拉应力值超过了混凝土（强度等级为C18）的设计抗拉强度（1.02MPa）；在假定闸底板出现完全贯通这一最不利的条件下，竖向、横河向位移将有很大程度的增加，对水闸的安全会产生极为不利的影响，必须采取必要的工程加固措施来防止底板裂缝完全贯通这一极端情况的出现。从确保建筑物安全的角度出发，需要研究采取反拱底板抗裂加固措施，尽快消除工程隐患。

二、反拱底板加固技术方案

通过对太平闸多年来的底板沉降资料分析，近20年来闸底板沉降量值变化已很小，且趋势基本相同，表明该闸沉降已趋于稳定，为底板进行加固处理创造了条件。鉴于连续反拱结构是底板起裂的主要诱因，从改变反拱结构特征出发，采用将反拱填平的方案进行底板抗裂加固，即采取浇筑C25混凝土将闸室下游侧反拱底板填平，顶面高程与闸门底槛相同。

为保证新老混凝土接合面强度，将老混凝土表面凿毛，打锚筋孔，植锚筋(直径 16 mm、间距 60 cm)，锚筋采用药卷锚固剂锚固。同时在混凝土面层布置钢筋网格(直径横向14 cm、纵向 16 mm，间距均为 20 cm)，以提高新浇混凝土的整体性和抗冲刷能力。

为了评价底板加固方案的有效性，同样建立了加固处理后的三维有限元整体仿真数值计算模型，采用三维弹性有限元分析方法进行计算分析。计算结果表明，在整体加固条件下，底板结构应力场相对于未加固前有明显改善，主拉应力极值有相当程度的减小，整体底板结构的最大主拉应力值仅为0.887 MPa，均低于对应混凝土的抗拉强度设计值（1.02 MPa），表明采用将反拱底板填平的加固措施成效十分明显，加固后结构安全性基本能得到保证。

三、反拱底板加固施工方案

1.施工方案比选

由于底板完全处于水下，选择怎样的施工方式对施工质量、投资、安全、工期等方面都有很大的影响。该闸河面较宽(最宽 200多 m),施工期下游侧最大水深在6 m左右，如采取上游侧用闸门挡水，在下游侧筑土围堰的方法施工，筑坝土方需近5万m3。该闸地处扬州市广陵区，企业和民用建筑密集，经济较为发达，在该闸附近已很难找到合适的土源和弃土区，如果远距离取土、弃土，不仅打坝、拆坝困难，而且投资也较大,宜优先考虑其他施工方案。参照类似工程施工经验，重点对全过程水下施工和干法施工两种方案进行比选(见表 1)。

通过对以上两种施工方案的经济、技术、安全等方面的综合比选分析，首选干法施工方案。为了保证施工期间工程的安全，需要针对该方案进行结构安全复核计算分析，并研究制订相应的防范措施。

2.施工期结构安全计算分析

针对太平闸底板加固干法施工方案，重点复核分析在闸室抽干后浆砌块石闸墩和反拱底板结构的安全性。

①计算工况的选择。计算工况选择最不利的组合，即4套钢板围堰隔孔布置，同时施工。该闸上游水位变化较小，下游水位每天随长江潮位不断变化。在对该闸多年水位观测资料统计分析的基础上，施工时段选择在长江枯水季 （11月中下旬至下年2月）闸下游水位较低的时段，下游计算水位2.5 m（废黄河口零点，下同），上游取正常水位5 m。这样不仅可减小闸室抽干后对底板结构安全的不利影响，而且能降低围堰的挡水高度，减轻钢围堰重量，节省投资，也方便吊运施工。

②复核计算成果。针对上述施工工况，在建立相应的施工期三维有限元仿真计算分析模型的基础上，对施工期的闸墩和反拱底板应力变形状态进行了计算分析。其成果主要为：闸墩总体均处于受压状态，抗拉裂安全可以得到保证；在各施工阶段，除3号、22号、23号孔外，其他各孔反拱底板的主拉应力极值均未超过反拱底板混凝土（强度等级为C 18）的极限抗拉强度（1.62 MPa），抗拉裂安全可以得到保证，表明闸室抽干施工方案总体上是可行的。但3号、22号、23号孔反拱底板在施工期间的主拉应力 极 值 分 别 为 1.64 MPa、1.71 MPa、1.78 MPa，超过了反拱底板混凝土的极限抗拉强度。为了确保施工期原结构的抗裂安全，需要采取一定的工程措施来降低上述主拉应力极值。

四、施工期安全防范措施

依据复核计算成果，结合工程结构和施工条件，充分研究分析了闸室抽干后可能出现的安全隐患，认为需重点关注两方面的问题：一是因闸墩和底板结构受力发生变化，要避免结构发生破坏；二是由于该闸底板下游侧横向伸缩缝未设置止水装置，在围堰抽水后要避免出现渗透破坏现象。因此必须采取相应的安全防范措施。

①设置底板局部压重，改善底板受力状况。为了降低施工期间反拱底板主拉应力，考虑经济性和可操作性，施工时将反拱底板分内、外两次施工，第一次施工内侧半孔，其间在外侧反拱底板上面设置橡胶水袋压重，其荷载标准为9 800 Pa，总荷载约300 kN。通过三维有限元计算和对比分析，认为采取局部压重对底板受力状况的改善有一定效果。虽然设置压重对闸墩受力状况及底板整体的应力分布规律影响很小，但反拱底板的主拉应力极值均有所降低，3号、22号、23号孔反拱底板的主拉应力极值分别减小为 1.529 MPa、1.671 MPa、1.639 MPa，#22、#23 孔反拱底板的主拉应力极值仍略超过反拱底板混凝土的极限抗拉强度。鉴于量值较大的主拉应力区分布范围较小，且底板配筋可在一定程度上提高底板的极限抗拉能力，底板的强度安全仍可基本得到保证。另外，拟将底板应力较大的3号、22号、23号孔选择在长江枯水期水位较低的时段实施，可进一步降低底板的主拉应力，提高结构的安全性。

表1 施工方案比选表

②优化钢围堰结构，避免发生渗透破坏。参照类似工程施工常规做法，太平闸底板抽干施工可在闸墩下游侧设置U形钢围堰挡水，挡水钢板布置在迎水面，将围堰开口面向闸孔，两边支在闸墩上。但由于该闸底板下游侧横向伸缩缝没有设置止水，采用U形钢围堰在闸室抽干后伸缩缝容易出现渗漏现象，为安全起见，将钢围堰挡水板布置在内侧，受力桁架布置在迎水面，这样可保证伸缩缝处在挡水钢板外侧，从而完全避免闸室抽干后对伸缩缝产生不利的影响。

五、底板加固方案实施效果

按照上述反拱底板加固方案，首先在12号孔进行了施工试验。施工流程主要为：①钢围堰吊装就位；②在外侧半块底板放置压重橡胶水袋；③围堰抽水、堵漏；④内侧半块底板施工（闸底板表面凿毛、植钢筋并布设钢筋网、浇筑混凝土并养护）；⑤搬移压重橡胶袋；⑥外侧半块底板施工（闸底板表面凿毛、植钢筋并布设钢筋网、浇筑混凝土并养护）；⑦拆除钢围堰。

在底板施工前，对闸底板现状进行认真检查，并做好影像记录，以直观地了解反拱底板最新情况，印证多年检查观测结果。

通过现场实施情况看，加固方案可行，施工方便，工序简单，工期较短，施工质量良好，完全满足设计要求，达到了预期效果。

[1]江苏神龙海洋工程有限公司.太平闸水下录像检查报告[R].2008.

[2]河海大学.太平闸连续反拱底板施工期结构三维有限元计算报告[R].2011.

[3]江苏省水利勘测设计研究院有限公司.太平闸底板裂缝加固工程初步设计[R].2011.