翼墙在水利工程项目中的应用与分析

刘俊亮

(山西省原平市阳武河水利服务中心,山西 原平 034100)

翼墙在水利施工项目中是一项重要建筑工序,它通常位于水工建筑群的上游和下游两个施工区域,翼墙的设置有效地发挥了导流、挡土以及防渗的作用,可以有效地增强大型坝的防滑性能,但就现目前有关高大翼墙的相关设计及其研究还较为少见。因此,从实际施工区域的具体条件出发,对翼墙的设计进行探讨,从而确定其相关设计方案,无论是在理论上还是实践上都具有极高的实用价值。

1 工程概况

某水利泵站属于重大施工项目,泵站为1级建筑。该站单机流速为38.1m3/s,全项目共配置10个3250HLQ～38.1H号垂直混流水泵,此水泵的单机运行功率为5600kW。渠首站位于中温带湿润季风气候区域,其气候季节性相关特征如下:冬季长,气候干燥湿冷,但春季整体雨量较小且多大风天气,秋季多暴雨天气。年平均温度为2.2℃,年平均降雨数量在570～610mm之间,常年水面蒸发量670mm。全年有134d处于无霜天气,冻土最大深度可达2.2m。

2 翼墙的型式

目前,翼墙共有重力式翼墙、半重力式翼墙、悬臂式翼墙、扶壁式翼墙、U型式翼墙、空箱式翼墙等施工类型。

重力翼墙一般是利用自重来保持墙体平衡,从而在相关区域有效发挥防水挡土的作用,翼墙建设过程中通常使用混凝土作为建筑材质,但由于其墙体本身重力相对过高,对地基的承载力要求也会有所增加。因此在将重力翼墙投入实际工程建设时,必须提前对相关地基荷载能力计算分析,确保其地基荷载能力符合设计要求,如果地基荷载能力不符合稳定要求,则需要对地基进行加固作业,以提升地基的荷载能力。

悬臂式翼墙的相关构件部分可分为墙体面板和底板,相对于建设重力翼墙来说,其截面尺寸将会大规模减小。但因其面板高度不可一直增加,故当其挡土防护墙高度>8m时,将不再适合继续投入实际工程建设。

扶壁式翼墙与上述悬臂式翼墙墙体具有相似的施工结构,但在墙体面板的后背表面增加了大部分的扶壁。与悬臂式翼墙相比较而言,其整体功用显著更为优良,挡土防护面也得到有效改善和提升,该墙体通常被应用在10m以上的挡土防护工程中。

U形槽类结构一般出现在水利施工项目下的农业水利施工项目中,尤其多运用于南方多山区域,很多悬空通道建设时普遍运用此类结构。因为:①它施工作业简单快捷,可采用预制型式翼墙直接开展铺设作业;②其翼墙自身重量较小,安装更为方便。

空箱翼墙建筑施工过程较为繁杂,相应施工结构繁多,是一种轻质混凝土结构,通常在空箱中注入水来提高墙体的稳固性。空箱翼墙施工过程中不能以填土施工方式来提升墙体的稳固性,否则将会影响后期开展墙体维稳作业。

3 翼墙的设计标准

水工建筑类的挡土装置需按其所属的水工建筑类别来进行划分,因为该泵站属于1级水工建筑类,鉴于翼墙是该泵站的附属水工建筑物。因此,文中所提及的入水口处设置的翼墙也被判定为1级建筑物。翼墙的防洪标准必须与其所属水工建筑类的防洪标准保持一致,水工挡土防护装置也应与其所属的水工挡土防护装置相协调。鉴于水泵站所设置的区域地震烈度

表1 水工挡土墙墙顶安全加高限值标准 m

沿挡土防护墙地基部分的防滑安全指数低于施工区域地基安全指数,挡土防护墙级别判定为1级。在不同的荷载组合情况下,仅被用于地震荷载,在确定的基础组合条件下,其防滑稳固安全系数为1.35。在土质地基处挡土防护墙全体沿软黏土方向滑移时,一般采用瑞典曲线法或折线滑移法开展防滑稳固性能验算。对于1级挡土防护墙来说,在基础荷载情况下,防倾安全指数≥1.6。不将等级和地基状况纳入考虑范围时,空箱型挡土防护墙的防浮稳固安全指数≥1.1,而在特定载荷的情况下,其防浮稳固性安全指数≥1.05。

4 翼墙的设计

4.1 翼墙的结构布置和选型

作为翼墙的挡土防护墙,可以采取曲线型、直线与圆弧混合型、折线型、或者圆弧型等型式,在入水口左边以垂直型翼墙与上游通道两侧相连,为改善入水状况,文章拟将两侧翼墙设计成直线和圆弧混合的施工形式,直线段翼墙长度为10m,收缩角度为15°,圆弧形翼墙前端墙面半径R=20m。

针对土质地基挡土防护墙施工所用类型,应参照施工土质状况、挡土高度和建筑材质选取情况来决定。对于中等强度的施工地基,8m以下的挡土防护高度,宜选用重力式、悬臂式以及半重力式;当挡土防护高度>6m时,可采取扶壁式;如果地基状况难以达到以上挡土防护墙要求,且挡土高度较高情况下,可选用空箱扶壁式或空箱式。对于软弱地基,应采取板桩式或空箱式。鉴于该泵站临水侧挡土墙的标准较高,若采用扶壁式,易出现地基反作用力过大的现象,超过地基可承载能力,地基施工变得困难,且成本较高;因此,本论文的设计方案中选取钢筋混凝土空箱扶壁式挡土防护墙,且箱内无需填土和灌水。

4.2 翼墙尺寸的初步拟定

4.2.1 尺寸拟定

文章拟将翼墙高程确定为153.5m,以满足墙体后方填土需求。根据墙体施工材质和填土高度来合理判定墙顶宽度,其宽度通常>0.3m。针对泵站入水口顶宽,文章将空箱前后两墙均设定为1m,这样不仅让施工更为简便,而且可以方便施工人员在顶部行走,便于后期维修。鉴于入水口地势崎岖,所以翼墙整体地基在随墙长度走向纵坡上分布时,其底面需按阶梯状分段配置,且每阶长度需<2m,相邻两阶高差控制在2m以内。在此基础上,文章在入水口两侧方分别配置5段翼墙,其中第4段和第5段墙高度差<5m,第3段和第4段高度差低于8m;但由于此处不为阶梯式分节,所以应参照验算合理性来决定其设计合理性。

根据地形、土质、水流冲击、结构稳固、整体稳定性等要素来决定墙体底板预埋深度。鉴于翼壁入水口水流状况平稳且流速小,因此,文章拟将1～3段翼墙预埋深度设为垂直于墙前土体,对于第4和第5段翼墙,鉴于水刚流进泵站前池,水流状况不佳且流速大,故初步将预埋深度拟设为0.8m(第3段)、1.5m(第4段),以避免水流冲击。

应参照墙体整体强度来判定墙体底板所需厚度,通常混凝土挡土防护墙厚度需>0.3m,根据施工区域地质资料,泵站翼墙施工土质为地基土,故在1～3段翼墙的前、后趾板下方均布设有齿墙,深度为lm;在第4、5段翼墙处,因其挡土深度较低,因此仅在趾板上布设深度为0.6m(第4段)和0.5m(第5段)的齿墙,由于翼墙前端使用空箱,所以前壁以竖立结构来建造迎水面。

扶壁式挡土防护墙以相同厚度设置,参照防护墙的结构稳固需求等判定扶壁坡比降。将贴角配置在墙与扶壁、底板与墙的交界处。文章初步将1～3段扶壁厚度设置为0.80m,其余扶壁厚度为0.60m(第4段)和0.50m(第5段)的厚度。将两扶壁间距设置为:第1段和第2段间距4.10m,由于第三段为弯曲状,其间距为7.00m,第4段和第5段分别为3.28m、3.55m,空箱前不配置入水口。扶壁坡度i初步拟为:第1～3段翼墙扶壁i=2.7、第4段扶壁i=2.045、第五段扶壁i=2.5。参照施工结构、地基状况以及施工材质来判定每段挡土防护墙的长度。初步预设第1段和第2段墙体长度均为15.50m,第3段过渡段弧长26m,第4段和第5段为20m和15m。水工建筑、各节翼墙与附属翼墙间如出现永久施工缝,缝宽应控制在10～25mm左右。在永久施工缝间需配置防水层。文章在每段翼墙间和翼墙与水泵站的交界处均设有20mm宽的永久施工缝,并配置防水层。

翼墙实际尺寸预设如下:以垂直连接的方式连接翼墙与上游河道双侧,双侧翼墙配置形式为直线、弧形混合式,1～3段翼墙为空箱式扶壁式双型式,第4段和第5段翼墙为扶壁式。第1段和第2段长度合计为15.50m,收缩角度为15°,第3段弧形翼墙前墙半径R=20m,弧长度为26m;第4段和第5段墙总长20m和15m,翼墙顶面高程153.5m,上部加设钢筋混凝土波浪防护墙,其厚度为0.20m,高1.20m,墙背面土质高程与翼墙保持一致,为153.5m。

翼墙底宽16.70m,厚为1.60m,前齿悬挑长2.0m,空箱宽5.0m,顶部厚0.6m,前、后墙厚度均为1.0m,箱内无需填土;第4段翼墙高10.00m,以钢筋混凝土建构扶壁,扶壁底宽8.50m,厚1.0m,前齿悬挑长2.0m,壁前厚0.80m,壁面厚0.60m;第5段翼墙自高6.50m,扶壁为钢筋混凝土构成,底宽4.50m,厚0.70m,前齿悬挑长1.2m,壁前厚0.60m,壁面厚0.50m。扶壁坡度i如下:1～3段扶壁坡度i=2.7,第4段i=2.0,第5段i=2。5。

4.2.2 翼墙几何模型

泵站入水翼墙和上游通道双侧呈垂直式相连,双侧翼墙为直线式、弧形式混合布设。参照翼墙的平面位置和挡土防护墙高度,施工方案确定为多节布设结构。

1)第1段翼墙和水流流向收缩角为15°,该工程共设置为3段扶壁。

2)第2段翼墙设立为直墙段分布形式,该工程共设置4段扶壁。

3)第3段翼墙采用圆弧形结构配置,墙体前端表面半径R=20m。收缩角度为75°。

4)第4段翼墙墙体高度为10.00mm,以钢筋混凝土建构扶壁,墙体底板宽度设置为8.50m,厚度为1.00m,前齿悬挑长预设为2.0m,墙前端部分厚0.80m,扶壁厚0.60m。第5段翼墙墙体高度预设为6.50m,以钢筋混凝土建构扶壁,墙体底板宽度设置为4.50m,厚度为0.70m,前齿悬挑长预设为1.20m,墙前端部分厚0.60m,扶壁厚0.50m。

4.3 进口翼墙稳定计算

翼墙所受作用力主要来源于墙体自重、主动土作用力、水流压力等因素,翼墙施工完毕后需选取最不利施工状况开展稳固性核算。其防滑稳固安全指数需>1.3,防倾稳固指数需>1.5,翼墙稳定计算表,见表2。

表2 翼墙稳定计算表

由以上核算结果可推知出翼墙结构安全稳固性指数,确保该项目翼墙防滑、防倾稳定指数均可符合预设要求。

5 结 语

综上所述,在水利水电施工建设项目中,翼墙不仅具有支护挡土、保持地基平衡的作用,而且还与其隶属的水工建筑物一同承担防洪、给水、抽灌等功能。文章参照实际施工案例,首先给出了翼墙的设计规范,并对翼墙的结构配置、型式选取、预设尺寸等开展详细地分析和核算,以保证翼墙的稳固性和安全性,为保证工程的可持续发展奠定基础。