钢筋混凝土扭曲面翼墙在黄河下游引黄闸改建工程中的应用

李庆安，隋奇华

（山东黄河勘测设计研究院，山东 济南 250013）

0 引言

翼墙是为保证涵洞或重力式桥台两侧路基边坡稳定并起引导流向作用而设置的一种挡土结构物。翼墙迎水面立面布置形式有直立式、倾斜式、扭曲面式等。 其中，扭曲面翼墙的水流情况较好，多用于中小型工程［1］。

扭曲面翼墙在重力影响下产生扭力， 截面上形成剪应力，比一般挡土墙受力复杂，并且，因其结构尺寸特殊，给混凝土施工带来一定的困难。故黄河下游已建引黄闸门大多采用浆砌石扭曲面翼墙。然而，由于优质块石资源的匮乏和优秀砌石工人数量的减少， 混凝土扭曲面翼墙替代传统的浆砌石扭曲面挡墙应用于黄河引黄闸工程中的趋势已不可阻挡。 笔者结合山东打渔张引黄闸改建工程， 探讨钢筋混凝土扭曲面翼墙的应用。

1 工程概况及改建方案

1.1 工程概况

山东黄河打渔张引黄闸位于山东省滨州市博兴县境内，相应临黄大堤右岸桩号183＋750 处。 该闸始建于1956 年，于1981 年改建为6 孔桩基胸墙式水闸，设计流量为120 m3／s，设计加大流量为180 m3／s，建筑物等级为Ⅰ级。 打渔张引黄闸是打渔张引黄灌区、引黄济青和胶东调水工程的渠首闸，承担着打渔张引黄灌区农业灌溉、 引黄济青和胶东调水三重供水任务。2009 年3 月，经黄河水利委员会安全鉴定，该闸主要存在两岸地基沉降量大大超过允许值，闸室前后防渗系统失效， 闸基持力层沙壤土层为液化地层3 大问题，综合评定为四类闸，需报废重建。

1.2 改建方案

经方案比选， 打渔张引黄闸改建工程采用原闸址改建方案， 即在1956 年闸室与1981 年闸室之间修建灌注桩基开敞式水闸。 新修21.0 m 长桩基胸墙式闸室及其上部结构，布置闸孔6 孔，每孔净宽6 m，高3.0 m。上、下游原砌石扭曲面墙拆除后，新建钢筋混凝土扭曲面挡土墙4 座，高度为6.15 m／6 m，长度为11.94 m／17.41 m。 水闸布置情况如图1 和图2 所示［2］。 改建后，该闸正常设计引水位为11.05 m，设计防洪水位为19.58 m，校核防洪水位为20.58 m。

2 钢筋混凝土扭面设计

2.1 设计原理［3］

扭曲面是一种特殊的直线面， 因其连续两素线彼此交叉，不在同一平面内，所以，扭曲面又被称为“不可展曲面”。在水利工程中，把扭平面、扭锥面、扭柱面统称为扭面或扭曲面。其中，扭平面在水利工程中应用最广泛。本工程中的扭曲面形式即为扭平面。

如图3 所示，扭平面ABCD 可以看作是一条直母线AB，沿着两条交叉直导线AD（侧平线）和BC（铅垂线）运动，并始终平行于一个导平面H（水平面）所形成的曲面；扭曲面ABCD 也可以看作是一条直母线AD，沿着两条交叉直导线AB（水平线）和DC（侧垂线）运动，并始终平行于一个导平面W（侧平面）所形成的曲面。 在扭曲面形成过程中，母线运动时的每一个空间位置称为扭曲面的素线。 同一扭曲面有两种方式形成，也就有两组素线。

2.2 上游扭曲面设计

图1 打渔张引黄闸总体布置剖面图Fig.1 Dayuzhang sluice general layout profile

图2 打渔张引黄闸总体布置平面图Fig.2 Dayuzhang sluice general layout plan

上游新旧护坡连接采用混凝土扭曲面， 边坡由直立渐变为1∶2，垂直最高为6.14 m，最低为3.62 m，长度为10 m。 上游扭曲面为渐变高程，顶部高程为22.53 m，底部设置在高程为16.39 m 的平台上。平台顶部现浇0.6 m 厚钢筋混凝土护面， 平台与扭曲面之间均设置铜止水，止水设施满足闸前挡水要求。扭曲面在高程20.01 m 处与原闸浆砌石护坡连接。

理论上， 该工程混凝土扭曲面可设计为素混凝土结构。但考虑到黄河来水特点及水位变化情况，根据《水工混凝土结构设计规范》5.5.2 条规定“遭受剧烈温度或湿度变化作用的素混凝土结构表面宜配置构造钢筋网”， 在扭曲面结构的表面配置构造钢筋网。 钢筋网的纵横钢筋均采用8Φ14HRB400 级钢筋。

图3 扭曲面Fig.3 Wrapped surface

2.3 下游扭曲面设计

拆除下游原17 m 长的浆砌石护坦及两岸扭曲面翼墙， 改建成C25 钢筋混凝土结构的扭曲面翼墙。扭曲面设计同上游扭曲面设计。新建钢筋混凝土扭曲面高度为6 m，长度为17 m，边坡由直立渐变为1∶2。

3 施工技术

扭曲面翼墙在重力影响下产生扭矩， 截面上形成剪力，比普通挡土墙受力复杂。在保证安全的情况下，为方便施工，加快施工进度，通过划分双面模板浇筑、土模浇筑的分界截面，采用分段法施工［4-5］。

本工程中扭曲面翼墙分两次施工， 第一次为前端10 m（临土侧坡比大于1∶1），采用立模浇筑方法；第二次为剩余7.41 m（临土侧坡比小于1∶1），采用先回填、后刷坡，墙后设土模，使用干硬性混凝土堆坡的施工方法。

3.1 第一段扭曲面施工

3.1.1 立模、浇筑

第一段扭曲面采用分层立模浇筑混凝土的施工工艺，分层高度一般为1.5～2.0 m。施工时，应先搭设模板支架。模板支架一般采用扣件式脚手架搭设，架体的立杆纵、横间距和步距，剪刀撑，抛撑设置均应按专项架体方案执行。 支撑架体搭设完成并通过验收后，先进行底模安装，再进行面模安装。 两层模板采用对销螺栓进行加固，中间设置钢筋环支撑架，支撑架按（2～3）个/m2设置。 对销螺栓的纵横间距均为750 mm。 模板安装完成后，布设排水管。 排水管为Φ50 塑料管，间距为1.5 m×1.5 m。 上述工序完成后，经验收合格，即可进行扭面混凝土浇筑。 浇筑时，分层浇筑（每层30～40 cm），分层振实。 浇筑至模板支撑架处，将支撑架取出。

3.1.2 拆模、回填

第一层混凝土强度达到设计值时，进行拆模。拆模时，先拆除上部50 cm 高模板，然后在已浇扭曲面顶部按水平1.0～1.5 m 设置一个水平撑的方式，先将扭曲面撑牢，再继续向下拆除其余模板。

模板拆除后，在已浇扭曲面后，采用沙石混合料进行分层回填，回填层厚度为40～50 cm。 在回填过程中，采用水振法振捣，使其压实度大于0.92。

3.1.3 第一段后续层施工

在第一段第一层扭曲面回填完成后，进行第二层扭曲面施工。 第二层高仍为1.5～2.0 m，施工方法同第一层。以后每层施工方法均按第一层工艺进行，直至第一段扭面的顶层。

3.2 第二段扭曲面施工

3.2.1 坡面压实、修坡

在第一段扭曲面施工结束后， 利用挖掘机先对第二段坡面进行粗整、压实。坡面基本成型、压实后，在扭坡终端进行等分桩拉线。然后，采用人工方式进行精整， 使坡面达到堤防施工规范要求的平整度和压实度。

3.2.2 底层混凝土浇筑

第二段扭曲面底层混凝土一次浇筑成型， 浇筑应从墙底脚处开始， 浇筑厚度一般在150～200 mm范围内。 混凝土浇筑时， 先在已验收合格的坡面四周，按要求进行立模并固定。 然后，采用滑槽将坍落度为50～60 mm 的混凝土由墙顶向下滑运至浇筑处，并采用人工平仓，平整度控制在50 mm 内。 平仓后，利用插入式振动器将其坡面混凝土振实。

3.2.3 坡面预埋及锚筋

考虑到迎水墙面与底面混凝土结合的要求，在浇筑底层混凝土时，每1 m3预埋3～4 个小石块。 预埋小石块的2／3 在底层混凝土中，1／3 露出底坡面，且露出底坡面高度在30～50 mm 之间。

为固定第二段扭曲面迎水面墙混凝土模板，在进行底层混凝土浇筑时，在水平方向和顺坡向，分别按600～800 mm 和600～700 mm 间距预埋Φ16 的“L”型锚筋。锚筋预埋在底层的深度应大于100 mm，露出端长度一般按固定迎水面模板长度确定。

3.2.4 迎水面分层立模、浇筑

考虑到迎水面墙的上、下坡面长度较大，采用分层立模、分层浇筑、循环至墙顶的施工方法。一般情况下，一次性立模的上、下坡长控制在1 500～2 000 mm。

考虑到扭曲面的曲面变形较大， 模板面板选用多层木工板， 围樽采用双排Φ48 的脚手架钢管，并通过“山”型卡与预埋锚筋连接。

混凝土浇筑仍采用滑槽从墙顶向下顺坡运输进入仓内的方法施工，每个浇筑层的厚度控制在300～400 mm 范围内。浇筑到模板顶时，停止浇筑，继续立模、固定，而后再浇筑，循环至墙顶。

3.3 细部处理及养护

当第二段扭曲面浇筑完成后， 形成一个整体的扭曲面。这时，需进行以下细部处理：（1）对施工中形成的螺栓孔应进行填筑封堵。 封堵采料一般采用与扭曲面墙体混凝土同强度的微膨胀沙浆。（2）采用电动打磨机对施工中形成的少量模板拼缝棱角进行打磨。（3）采用沥青玛蹄脂对2 段扭曲面间的施工缝进行灌缝处理。 （4） 待扭曲面混凝土浇筑完成6～8 h后，对其墙面进行覆盖、洒水、保湿养护至28 d。若是冬季施工，应进行保湿养护处理。

4 结语

钢筋混凝土扭曲面翼墙是一种新型结构形式。相对于浆砌石挡墙来说， 钢筋混凝土扭曲面翼墙的优点为：力学性能好、整体性好，更有利于水闸的整体稳定性；容易成型，安全可控；工期短、干扰因素少，质量有保证；结构坚固、美观大方，坡面过渡顺畅，减少了水流阻力，保持了水流平稳。另外，在钢筋混凝土挡土墙施工过程中，不产生石料边角废料，且施工中的模板和对拉螺栓可重复使用， 能够节约成本。

在打渔张引黄闸改建中， 首次应用钢筋混凝土扭曲面翼墙。目前，该工程已投入使用，且效果良好。因此， 钢筋混凝土扭曲面翼墙可在黄河下游诸多引黄闸的改建、新建工程中推广使用。