某船闸结构缝变形控制值评估方法研究

余允吉，方大勇，廖珊珊，姚华国，丘文新

(1.广东省水利水电科学研究院， 广东 广州 510635;2.广东省岩土工程技术研究中心， 广东 广州 510635)

某水利枢纽需在现有一线船闸一侧新建二线船闸。由于两闸平行，相距较近(中心距90 m)，在上闸首位置，一线船闸与二线船闸支护结构间最小距离小于1 m。在二线船闸基坑开挖过程中，一线船闸上闸首与其检修门库结构缝宽度有较明显的增大。基坑与门库结构缝二者之间是否有联动性，基坑变形对结构缝变形的影响程度，以及后续基坑施工过程中结构缝的允许变形，均关系到一线船闸的安全、基坑施工过程的变形控制、工程安全的责任划分和后续处理措施的采用。因此，需全面分析评价结构缝变化的成因，研究基坑开挖对基坑及临近建筑物的变形影响[1]，预测后续变化值，科学地制定结构缝变形控制值。

1 基本情况

如图1所示，从左侧到右侧，分别为一线船闸上闸首、一线船闸检修门库和二线船闸基坑，上闸首和检修门库均为钢筋混凝土整体式结构，二者之间的结构缝即为本次分析评估对象。

1) 位置关系：上闸首顶高程为19.00 m，宽46 m，长44.5 m，上闸首边墩顶高程为19.00 m，宽11.5 m。检修门库高程为19.00 m，宽27.9 m。

2) 地质情况：上闸首基底为淤泥层，采用水泥搅拌桩结合PHC管桩加固，进入砂卵石层；门库段基础采用搅拌桩结合高压旋喷桩形式。上闸首门库与二线船闸基坑支护边最近距离约0.9 m。

3) 结构缝情况：根据设计资料，一线船闸上闸首结构缝止水布置图见图2，止水铜片大样图见图3。铜片止水采用紫铜片，厚1.4 mm，伸缩缝铺贴沥青油毡(三毡四油)或贴涂聚乙烯鼻孔泡沫板，厚均为2 cm。

4) 本文采用的监测数据自2017年11月2日起截止至2018年6月10日，评估的时间节点为2018年6月10日，时间节点后为预测值。结构缝宽度均不含设计宽度(即不含结构缝填充泡沫板厚度)。

2 环境温度影响分析

上闸首及门库为钢筋混凝土整体式结构，受温度效应影响，混凝土结构膨胀或收缩，会影响结构缝的宽度变化。船闸混凝土结构温度受水温、气温和日照的影响，混凝土表面温度与内部温度不同，上部温度与下部温度也不同，要准确测量十分困难。气温数据可靠性高、测量相对容易，且气温变化是混凝土温度变化的原因，因此选取船闸所在地的日平均气温作为混凝土的分析计算代表值。

图4为结构缝宽度与温度的关系，由图4可知，温度下降时，结构缝宽度有增大趋势，温度上升时，结构缝有减小趋势。

2.1 环境温度影响因子估算

常温下，混凝土结构线膨胀系数取C=1×10-5/℃[2]。

上闸首检修门库宽27.9 m，温度每变化1℃对结构缝的影响：

(1)

上闸首闸墩总宽46 m，温度每变化1℃对结构缝的影响：

(2)

因此温度每下降1℃，结构缝受温度影响增大的影响因子：

λ温度=λ1温度+λ2温度=0.37mm/℃

(3)

2.2 环境温度影响值占比分析

由环境温度对结构缝的影响因子λ温度，可以得到不同温度变化区间内环境温度的具体影响值，由此可以进行环境温度影响值占比分析。

根据图4中的温度曲线变化规律，可将温度变化分为两个阶段：

第一阶段：2017年11月2日—2018年2月5日，气温下降阶段(16℃～8℃)，基坑开挖施工，侧向变形增大。第二阶段：2018年2月5日—2018年6月1日，气温上升阶段(8℃～31.5℃)，基坑基本开挖到底(但未封底)，侧向变形稳定。

表1计算表明，第一阶段温度不是引起结构缝变化的主要因素，温度因素占比约22%。第一阶段处于二线船闸基坑开挖阶段，部分已开挖至基坑底，此时基坑开挖是引起结构缝变化的主要因素，占比约78%。表2计算表明，第二阶段结构缝变化主要受温度控制。

注：+表示结构缝张开，-表示结构缝收缩，下同。

3 临近基坑影响值分析

3.1 临近基坑变形与结构缝变形关系

临近二线船闸基坑连续墙与结构缝右侧门库最近距离只有0.9 m。二线船闸基坑支护沉降较小，以侧向变形为主。图5为最邻近一线上闸首的二线船闸基坑连续墙测点侧向变形与结构缝变化的关系图。由图可知，在第一阶段，连续墙侧向变形增大，结构缝明显增大；此后2018年2月5日至2月17日期间，连续墙侧向变形基本稳定，同时在此12 d基坑变形稳定期内，结构缝也保持稳定。经计算，此稳定期间连续墙累计侧向变形量平均值为23.80 mm，结构缝累计变化量平均值13.65 mm。

3.2 基坑连续墙侧向变形影响因子估算

经历第一阶段温度下降期后，结构缝和基坑侧向变形均保持了一段稳定期。温度影响值占比约22%，基坑变形影响值占比78%，用此稳定期内的结构缝变形量，减去第一阶段环境温度影响值2.96 mm，计算临近基坑连续墙侧向变形与结构缝变化的关系如下：

(4)

4 结构缝变形控制值评估

4.1 控制值制定方法

1) 利用已有的截止至2018年6月10日的监测数据，根据前文的估算方法，得到引起结构缝变化的环境温度影响因子λ温度和基坑连续墙侧向变形影响因子ξ侧向变形。根据归纳法原理，预测结构缝后期增大值：

ΔL增大=λ温度·(-Δt)+ξ侧向变形·Δν侧向变形

(5)

式中Δt为环境温度变化值，Δν侧向变形为基坑侧向变形预测增加值。

2) 计算结构缝内铜止水带的允许可伸张长度，对比结构缝后期宽度预测值，作为控制值的制定标准。

4.2 预测值计算

1) 环境温度影响预测值：

考虑最不利情况，由6月10日当日平均气温29.5℃降至0℃计算:

λ温度·(-Δt)=0.37·29.5=10.9 mm

(6)

2) 基坑侧向变形影响预测值

根据《关于清远水利枢纽一线船闸上、下闸首门库段结构缝宽度变化分析报告》(中设设计集团股份有限公司，2018年3月)二线船闸基坑开挖对一线船闸上闸首结构缝影响的结论，由2017年11月2日起，预测地连墙最大水平位移预测值vmax为29.36 mm。

因此基坑侧向变形影响预测值为：

(7)

4.3 结构缝铜止水带允许变形值

结构缝铜止水带设计图及设计说明见图6，根据规范[3]，其为“中心开敞型”，几何可伸展长度计算公式如下所示：

L0=2h-0.43d

(8)

式中L0为止水带的几何可伸展长度；h为止水带鼻子的高度；d为止水带鼻子的宽度。

止水带鼻子的高度为5 cm、宽度为2 cm，计算可得铜止水带的几何可伸展长度L0为9.14 cm。

根据规范[3]，铜止水带应力水平宜小于0.74，根据铜止水带的尺寸，查规范[3]附表B.1，由应力水平反推接缝剪切位移值。

根据止水带鼻子的高度及宽度，计算其直立段高度：H=h-d/2=40 mm。接缝剪切位移12 mm对应应力水平0.665，24 mm对应应力水平0.838。用插值法，按照应力水平不超过0.74计算，计算铜止水带允许剪切位移值为17.2 mm。结构缝接缝剪切位移观测值约为1.05～2.33 mm，相比允许剪切位移值较小。

4.4 结构缝宽度控制值

根据监测数据，结构缝宽度初始值为19.8 mm(不含泡沫板厚度)，累计增加量7.36 mm，即结构缝累计总宽为27.16 mm。加上环境温度影响预测值和基坑侧向变形影响预测值，即结构缝宽度预测值为40.9 mm，小于铜止水带几何可伸展长度L0。

结构缝在二线船闸施工前已累积了不可逆转的变形，为保证一线船闸运营安全，结构缝铜止水带允许变形控制值应有较大的安全系数，考虑安全系数为2，则铜止水带可伸展长度控制值为45 mm，允许剪切位移控制值为8.6 mm。取控制值的90%作为结构缝宽度和剪切位移的警戒值(见表3所示)。

5 结语

1) 本文通过环境温度变化曲线、临近基坑变形曲线和结构缝宽度变化曲线之间的内在关系，分析了结构缝宽度变化的成因和各因素影响结构缝变化量的占比，计算了“环境温度影响因子”λ温度和“基坑连续墙侧向变形影响因子”ξ侧向变形，提出了环境温度引起结构缝的变化量，在结构缝变化曲线中的占比具有阶段性，有利于临近二线船闸施工过程的变形控制、工程安全的责任划分和后续处理措施的采用。

2) 根据归纳法原理，分别预测了后期受临近基坑施工和环境温度变化，结构缝可能的变化量，计算了结构缝止水带允许变形值，从而制定了结构缝在后续施工中的控制值和预警值，可为类似工程提供评估方法和经验。