大型水闸岸墙布置形式优化探讨

王西青

(安徽省阜阳市水利规划设计院有限公司，安徽 阜阳 236000)

岸墙作为水闸与两岸连接的主要建筑物，具有重要的作用，担负着5个重要任务：①挡土，保护两岸免受过闸水流冲刷，维持河岸稳定；②导流，引导水流平顺过闸，并使出闸水流均匀扩散；③阻止侧向绕渗防止与其相连的岸坡产生渗透变形；④抗冲，保护两岸不受过闸水流冲刷；⑤改善闸室受力状态，减少闸室与两岸的不均匀沉降及沉降对闸室应力的影响。因此，应重视其布置形式的选择。

1 工程概况

黑茨河闸20年一遇行洪流量1114m3/s，属大(2)型水闸，主要建筑物级别为2级，抗震设防烈度为7度，场地基本地震动峰值加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，特征周期值为0.45s，工程抗震设防类别为乙级，该闸7孔开敞式结构，闸孔总净宽78m，节制闸共5孔分2联，每孔净宽10m，通航孔共2孔，每孔净宽14m，闸室总宽度117m(含空箱岸墙)，如图1所示。

图1 黑茨河闸结构图

2 岸墙的布置形式

一般岸墙与闸室相配合，与闸墩平行布置，上下游方向长度与闸墩相同，常见的闸室与岸墙布置形式有：边墩代替岸墙、边墩与岸墙分开及边墩与岸墙结合等。黑茨河闸采取了一种新的岸墙布置形式，即闸室与岸墙整体设计。

2.1 边墩代替岸墙

以闸室边墩代替岸墙，多用于中小型水闸，其闸孔较少，闸室高度较小，地基承载力较大，整个闸室不分段，闸室两侧边墙所承受的土压力可以互相平衡，如图2所示。

图2 边墩代替岸墙

2.2 边墩与岸墙分开

当闸室较高、孔数较多及地基软弱时，在闸墩上分缝，岸墙则紧靠闸室边墩，仅以变形缝分隔，使边墩免受侧向土压力的作用，缝间的闸段自成一体，地基发生不均匀沉降时，闸孔不致变形，闸门能够顺利启闭，无碍于水闸的正常运行，但修建缝墩比较复杂，而且其总厚度大于中墩，导致水闸总工程量加大，施工周期加长，如图3所示。

2.3 边墩与岸墙结合

当闸室在底板上分缝时，常以岸墙兼作闸室边墙，闸室底板成为双悬臂梁结构，这种布置形式既减少了闸的总宽度，节省了工程量，又可缩短工期。这时宜把闸室的边跨作为底板分缝跨，使岸墙所承受的侧向土压力不影响或少影响其他闸跨，岸墙多做成空箱形式，这是为了减轻闸室重量，使其基底的平均荷载强度尽可能接近闸室基底的平均荷载强度，减小不均匀沉降，但该结构整体性差，对地基变形很敏感，抗震性能也差，不均匀沉降将导致闸孔变形，使闸门启闭困难，适用于地质条件较好的地基，如图4所示。

图4 边墩与岸墙结合

2.4 闸室与岸墙整体设计

设置桥头堡的空箱岸墙完建期基底压力一般为闸室的1.5倍以上，因此，可能产生大的不均匀沉降，特别是在闸室较高或地基软弱的条件下更为突出，岸墙后的填土荷载强度也远大于闸室基底和空箱岸墙基底的荷载强度，岸墙受墙后填土边荷载的影响，常常向填土方向倾斜，施工期、完建期及运行早期，由于受两岸土压力的作用，岸墙向前(河道内)倾斜，后期受地基沉降和边荷载的影响，其可能后仰，岸墙与闸室边墩之间的变形缝顶部张开的现象屡见不鲜，在地基软弱，压缩性较大的情况下，还会引起闸室的倾斜。黑茨河闸勘察揭示其地基土层层面平缓，厚度均匀，属均匀地基，地基土层为新近堆积土层，强度较低。考虑闸室地基条件和结构构造特点、施工方法和措施等因素，采取了一种新的岸墙布置形式，即闸室与岸墙整体设计，如图5所示。

图5 闸室与岸墙整体设计

3 稳定计算

根据SL 265—2016《水闸设计规范》，闸室基底应力应根据结构布置及受力情况，按第7.3.4条规定进行计算；土基上闸室基底应力最大值与最小值之比小于允许值，应符合表7.3.5的规定；土基上沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数，按第7.3.6条规定进行计算，结果见表1。

表1 黑茨河闸稳定计算成果表(完建期)

由于计算工况较多，表1只列出完建期，计算成果表明，边墩与岸墙分开方案岸墙的最大地基反力达178.49kPa；当采用闸室与岸墙整体设计方案时，地基反力趋向均匀，减小了最大地基反力，降低了地基处理强度，节约了工程投资。

4 结构计算

4.1 计算软件选择

利用河海大学Autobank7.77水工设计软件进行结构计算，计算模型如图6所示。其计算主要步骤如下：

图6 闸室与岸墙整体设计方案计算模型

(1)定义材料：用“材料”菜单中的“梁/杆材料”为梁或杆赋予材料参数。

(2)绘制分区、划分网格：在AutoCAD中用多义线或圆弧绘制杆系结构的轴线，如果截面不同，则应该采用“梁/杆”菜单中的“梁单元”或“杆单元”将多义线定义为梁或杆。

(3)设置材料及其加载步：材料分区、荷载、边界、弯矩图等对象均有属性表，用户可以在属性表中修改形状、加载步、值等属性。当唯一选中某对象时，属性表显示，若选中多个对象，右击可以取消再选。

(4)定义荷载及其加载步：定义位移边界条件和荷载，荷载可以考虑分批加载。为得到较真实的地基应力，可先计算地基(位移清零)，加载步0为地基重力；完建期的荷载为重力，加载步1为结构材料分区；加载步2为运行期的荷载。

(5)设置位移边界约束：通常可取底边全约束，两边限制水平位移。

(6)建立求解任务列表、求解：用“求解”中“定义工程并更新数据”，形成求解所用的数据文件。用“求解”菜单中“求解变形与应力”开始求解。

(7)查看结果：用“结果”菜单中的“内力图”看计算结果。

4.2 计算成果

由于计算工况较多，如图7—8所示只列出完建期闸室岸墙弯矩图，计算成果表明，闸室与岸墙整体设计方案通航孔闸室底板弯矩减少了30%，避免底板过厚。

图8 闸室与岸墙整体设计方案弯矩图

5 结论

闸室与岸墙整体设计方案在黑茨河闸工程两岸连接中的合理运用，不仅少设置1道分缝，减少了施工工序，还在防渗方面减少了1个薄弱环节，方案结构整体性好，对地基不均匀沉降的适应性强，具有较好的抗震性能；同时地基反力趋向均匀，减小了最大地基反力，降低了地基处理强度，减小了底板结构应力，避免底板过厚、配筋过多，节约了工程投资，为读者提供1个设计思路。但该方案荷载分析及结构单元划分稍复杂，需利用有限元结构计算软件进行辅助设计，方可快速便捷地计算出结构的应力、变形及沉降等参数。