后浇带在草堰翻水站工程中的设计与应用_李悦.pdf

2023 年第 2 期水利技术监督工程实践DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.066后浇带在草堰翻水站工程中的设计与应用李悦，杨晓飞(盐城市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 盐城 224002)摘要:草堰翻水站位于盐城市大丰区草堰镇，为疆界河灌区渠首取水建筑物，闸站设计底板宽 38.4m。闸站底板宽度超过了水闸设计规范“土基上的分段长度不宜超过 35m”的建议值。因此，闸站底板设计布置2 道后浇带，以减少由于地基不均匀沉降等因素引起的裂缝。设计时充分考虑了站身受力、施工工序等影响因素，对后浇带布置的位置、施工工序、后浇带浇筑时间都提出了相应的要求，可为其他类似工程设计提供参考。关键词:后浇带;宽底板;水闸;泵站;设计中图分类号:TV222.2文献标识码:B文章编号:1008-1305(2023)02-0268-04收稿日期:2022-10-21作者简介:李悦(1989 年)，女，工程师。E-mail:454328615 通讯作者:杨晓飞(1986 年)，男，工程师。E-mail:821625607 为消除老站安全隐患，提高江界河灌区的灌溉保证率，满足区域 20 年一遇防洪要求，实施草堰翻水站拆建工程。新建草堰翻水站为闸站结合型式，设抽引孔 6 孔，自引孔 1 孔，采用对称布置。抽引 孔 净 宽 3.80m，机 组 中 心 距 4.70m，每孔设 1200ZLB-135 立式轴流泵 1 台，配套电机功率 160kW，总装机功率 960kW。自引孔净宽 8.0m，设平面直升钢闸门 1 道。站身采用块基整体结构，站身顺水流向长 22.00m，垂直水流向宽 38.40m。闸站顶高程为 5.40m，上方设主厂房。SL 2652016水闸设计规范 4.2.13 条“为了防止和减少由于地基不均匀沉降、温度变化和混凝土干缩引起的裂缝，对于多孔水闸的闸室底板，必须沿垂直水流方向进行分段，即设置若干道顺水流向的永久缝”，“根据工程的经验仍采用，岩基上的分段长度不宜超过 20m，土基上的分段长度不宜超过 35m”。本工程站身底板宽度 38.4m，略大于规范提供的建议值。本工程两侧北侧紧临双草线，为草堰镇连接国道的主要交通道路，站身处路面高程为 8.0 10.0m，若采用分离式底板，站身两侧的土压力要由两侧的底板但单独承担，需设置刚性桩地基基础来承担水平荷载，大幅度增加了工程投资。本着科学设计、经济合理的原则，宜使用整体式结构抗滑抗变形，设计仍使用整底板方案，但需要对设置的后浇带做相应的论证。1结构计算1.1荷载标准站身稳定计算、地基承载力计算按照规范要求执行，站身结构计算、地基基础沉降计算采用河海大学结构有限元软件 Autobank 进行。草堰翻水站闸站站身按 3 级水工建筑物设计，所受荷载包括自重和活荷载两大类。自重:机房(站身)重量、金属结构及机电设备重量(局部加重);活荷载:土压力、水压力、水重、浮托力、渗透压力、风雪荷载、人群、车辆、临时起重等活荷载。站身结构布置如图 1 所示。1.2参数选用根据规范要求及工程站址处地基条件确定建筑物工程稳定设计参数，建筑物地基应力最大值与最小值之比的允许值，中等坚实的地基土质上，基本荷载组合时为 2.00，特殊荷载组合时为 2.50。工程主要建筑物地板站身底板位于(3 6)轻粉质壤土夹重粉质壤土层，根据 SL 2652016 经验参数表查得，地基土与建筑物底板之间摩擦系数f=0.25 0.40。考虑各建筑物均采取地基处理，862工程实践水利技术监督2023 年第 2 期图 1站身结构图本工程取用地基土与建筑物底板之间摩擦系数f=0.30。根据 GB 502652022泵 站 设 计 标 准和SL 2652016 对建筑物地基允许沉降量和沉降差的规定，本次设计按地基最大沉降量不超过 15cm，最大沉降差不超过 5cm 控制。1.3计算结果站身稳定、地基反力计算结果:站身基底应力最大值出现在完建期，基底应力最大值为 121.58kPa，最小值为120.78kPa，平均值为 121.18kPa。完建期无水平荷载，抗滑稳定安全系数满足设计要求。站身底板位于轻粉质壤土夹重粉质壤土层，地基土承载力特征值为75kPa，地基承载力不满足要求，需进行地基处理。设计采用30cm 30cm 预制混凝土方桩复合基础，桩长10m，桩间距 1.50m，单桩承载力特征值为232kN，复合地基承载力特征值为146kPa。站身结构计算结果:根据站身结构型式，以框架结构进行计算，边荷载范围按照 1 倍的站身宽度确定。后浇带的浇筑发生在完建期，文章仅对完建期的结果加以说明。站身结构完建期受力分析结果如图 2 所示。根据计算结果，工程底板面层最大弯矩出现在通航孔面层，为 432kNm，底板底层最大弯矩出现在两侧边孔外侧，为 594kN m。2后浇带设计2.1后浇带布置抽引孔内水机、金属结构设备较多，为避免因施工质量等因素带来的风险，不宜在抽引孔内设置后浇带，因此本工程后浇带布置于自引孔内。因自引孔面层中间部位弯矩较大，若仅在中部设置 1 道后浇带，后浇筑的混凝土强度不能承受较大的弯矩。因此考虑在自引孔的两侧各布置 1 道后浇带。设计采用 2 道后浇带，布置于自引孔内两侧临墩墙处，为便于后续清杂、凿毛等处理，设计后浇带宽度为 1.4m，中间设置紫铜片水平止水 1 道，后浇带使用微膨胀混凝土浇筑。后浇带布置位置如图 3所示，后浇带结构如图 4 所示，后浇带附加钢筋如图 5 所示。2.2施工工序设计后浇带设计主要作用是为了减少后期不均匀沉降产生的裂缝，根据 Autobank 计算成果，站身沉降主要发生在两侧抽引孔，中间自引孔沉降较小。荷载 加 载 步 设 置 为 30d 时，抽 引 孔 处 沉 降 为8.82cm，自引孔处沉降为 3.44cm。因此，施工时将首先浇筑抽引孔底板及墩墙，待其完成一定沉降后再浇筑后浇带。由于自引孔面层弯矩较大，为了后浇带浇筑完成后，面层承载能力能达到相应的强图 2站身完建期弯矩计算结果9622023 年第 2 期水利技术监督工程实践图 3后浇带布置图图 4后浇带结构图图 5后浇带钢筋图度，自引孔底板中间部位同期一起浇筑。上部厂房结构荷载较大，后浇带未实施前，其荷载全部由两侧自引孔承担。通过计算分析，此种情况下，地基反力大于复合地基承载力，上部厂房荷载不能全部在二期加载。经计算，上部厂房荷载达到 9000kN时，地基反力为 140kPa，设计地基基础能满足要求。根据计算结果，二期添加荷载为上部厂房的立柱及横梁，其总重量约为 6000kN，满足设计要求。根据计算结果，站身部位施工工序为:抽引孔、自引孔底板;抽引孔、自引孔墩墙;抽引孔中、上部结构;厂房立柱;后浇带、自引孔上部结构;墙后回填土 1，回填至 0.50m;上部厂房剩余结构;墙后回填土 2，回填至设计高程;其他剩余工程。施工工序如图 6 所示。图 6工程施工工序图3站身计算成果复核根据上述施工工序，对站身计算成果进行复核。在自引孔及上部厂房立柱浇筑完成后，站身底板基底反力为 108kPa，满足承载力要求。下面主要对沉降结果进行复核。计算模型:根据站身结构型式，以框架结构进行计算，边荷载范围按照 1 倍的站身宽度确定。计算加载步共分为 4 步，每步历时 30d，材料荷载加载步如下。0 步:地基土材料;1 步:抽排孔底板、墩墙及设备自重，上部房屋荷载一半;2 步:自引孔底板、面板自重及其上荷载;3 步:两侧回填土压力;4 步:边荷载、上部房屋剩余荷载。沉降计算结果:第 1 加载步在抽排孔及上部厂房一半荷载加载后，地基沉降达到 8.94cm，第 2步后浇带及自引孔加载后，地基总沉降为 9.67cm，第 3 步加载完成后，地基总沉降为 9.69cm，第 4步加载后地基总沉降量为 11.8cm。在第 1 步加载后，已完成大部分沉降，后期沉降为 2.98cm，且为总体沉降，对站身裂缝控制等影响较小。本工程地基土层以砂性土为主，施工排水条件较好，考虑该部分施工工期较长(3 4 个月)，站身沉降基本可在施工期间完成，后期沉降较小。因此前072工程实践水利技术监督2023 年第 2 期期站身抽引孔沉降基本稳定后再对自引孔后浇带砼进行封闭浇筑，采取上述措施基本可消除地基不均匀沉降带来的底板裂缝风险，认为后浇带方案可行。4类似工程参考根据江苏省内其他类似工程多年的监测数据，后浇带的设置对工程结构并未产生不好的影响，工程的沉降变形、结构裂缝等均满足规范要求。句容河蓄水闸工程闸室分 3 孔，底板总宽 47.8m，于中孔内临墩墙侧各布置 1 道 1m 宽后浇带，根据工程闸室沉降监测资料，监测期间北侧底板累计沉降7mm，南侧累计沉降 16mm，南、北侧沉降差为9mm，满足规范要求。连云港义泽河闸底板宽41.4m，共 3 孔，各布置 1 道后浇带于边孔临中墩侧。根据两年的监测观察，闸室底板未出现影响结构的裂缝，取得了很好的工程效果。5结语对于宽度稍大于 35m 的闸站底板，采用整体式底板对于抗滑抗变形有其结构上的优势，相对于分离式底板也能节省投资。对于设置后浇带的方案，不仅需要对工程结构进行全面的受力分析，以确定后浇带的布置位置，还需要对因施工工序的改变带来荷载加载步的变化对工程其他影响方面进行复核，以满足沉降变形、地基承载力等方面的要求。工程施工时，还需要做好后浇带与一期浇筑底板之间的处理，防止在后浇带处产生施工缝，后期还应做好长期的工程位移变形监测工作，以期为更多类似工程设计工作提供参考。参考文献 1SL 2652016 水闸设计规范S 2GB 502652022 泵站设计标准S 3杨宇，贡锦炜，吴雷，等 后浇带在句容河蓄水闸上的应用研究J 山西建筑，2021，47(20):3 4何志雄 后浇带施工技术在水电站底板中的应用研究J 建筑工程技术与设计，2015，000(21):43-43 5吴昊 超长闸室底板设计与施工J 水利规划与设计，2013(8):3(上接第217 页)段河道泄洪主流遇整流墩后向南北两侧分成两股，虽然两股水流绕过整流墩后又汇合，但在“分 合”过程中增大了水流扩散范围，同时在整流墩东侧形成了一个小范围的静水区，有效降低了主流中心流速，从而使得图 4 中横流超标位置的水流流速明显降低，横流强度也均降低到0.3m/s 以下。在交汇区 4 种最不利水位 流量组合工况下，京杭运河的横流强度均降低到 0.3m/s以下，满足规范要求，即吴淞江泄洪对京杭运河通航安全基本无影响。5结语本文采用实测的基础地形数据，针对吴淞江泄洪期间可能对京杭运河通航水流条件产生影响，以满足横向流速限值为要求，对工程所在区域最不利降雨典型的 4 种不同水位、流量组合进行了数值分析。研究表明，交汇区西侧河线布置在规划河道规模的基础上，利用北侧岸线向南侧偏移拓浚形成喇叭口，并且增设整流墩，能有效改善交汇区的流态和航道内的通航水流条件，对确保京杭运河船舶航行安全有着十分重要的意义。此外考虑到数学模型本身的局限性，建议后期从物理模型试验和船模航行试验两个方面去分析交汇区通航水流条件。参考文献 1邵学良，石岩，高进 京杭运河枣庄段汛期泄洪定量分析及交通管制建议 J 珠江水运，2022(14):64-67 2李昱，程实 流域骨干河道引排对三叉河口改线段航道的影响研究 J 水利技术监督，2021(4):118-120，167 3张震，李婷 基于 Mike 21 的引江济淮工程支流洪水通航影响分析J 人民珠江，2018，39(4):35-40 4丁坚，吴腾 成子河船闸引航道与泄洪河道交汇区域通航水流条件与改善措施研究 J 水道港口，2016，37(2):166-169 5江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司 吴淞江(江苏段)整治工程可行性研究报告 2021 6许婷 MIKE21 HD 计算原理及应用实例J 港工技术，2010，47(5):1-5 7王加建，陈懿强 基于 Mike 21 对防撞设施桥墩处紊流宽度的研究J 港工技术，2019，56(6):6-10，23 8钟波，石