水闸空箱岸墙结构变化对稳定影响的研究

赵常斌 李世民

(安徽省水利部淮委水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 概述

水闸闸室与两岸连接的建筑物受高度及地基的影响，采用的型式也不同，闸身较高时宜采用空箱式[1]。当地基较好时，水闸采用分离式底板，岸墙兼做闸室的边墩，为钢筋混凝土空箱结构，能够稳定边坡，优化应力分布，增加绕渗长度[2]。空箱岸墙(岸墙联合，下同)主要由前墙、后墙、隔墙、底板、顶板及上部建筑等组成，可利用前墙、后墙、隔墙之间形成的空箱充水或填土来调整地基应力分布[3]，荷载除自重外，主要为土压力、水压力、扬压力等。在设计中常依据经验确定结构尺寸，本文依据规范，分析相同净宽尺寸的空箱，在不同前趾、扶壁长度条件下，空箱岸墙的基底应力、应力不均匀系数、抗滑稳定系数的变化规律，为空箱岸墙结构优化设计提供一些参考。

2 研究方法

空箱岸墙结构简图见图1。本文在拟定空箱净宽B的基础上，主要分析完建期工况下，前趾长度L1、后墙扶壁长度L2的变化对空箱岸墙稳定的影响及变化规律。

空箱岸墙的抗滑稳定系数、基底应力、不均匀系数，依据水闸设计规范[4]、水工挡土墙设计规范[5]按式(1)～式(3)计算：

(1)

(2)

(3)

3 案例分析

以淮北平原某中型节制闸工程为例，该水闸采用分离式底板，分大小底板，分缝跨的底板上设两条变形缝，边墩与岸墙联合式布置，岸墙上设桥头堡。空箱岸墙顺水流方向长12.0 m，底板厚度1.0 m，在拟定空箱净宽条件下，前趾长度取0.5 m,1.0 m,1.3 m,1.5 m,1.8 m,2.0 m，墙后扶壁长度取1.0 m,2.0 m,3.0 m,4.0 m,5.0 m,6.0 m,7.0 m，分别进行稳定分析计算。根据土工试验成果，结合工程实际，地基承载力标准值160 kPa、底板与地基的摩擦系数f=0.32，钢筋混凝土容重按25 kN/m3，填土容重18 kN/m3计。以顺水流方向为Y轴，垂直水流方向为X轴，根据上述条件，计算不同前趾长度、扶壁长度下稳定与应力计算成果见表1,表2,图2,图3。

表1 不同前趾长度空箱岸墙稳定计算成果

表2 不同扶壁长度空箱岸墙稳定计算成果

由计算成果可知，在相同空箱净宽的条件下，随着前趾长度的增加，基底平均应力降低，基本上呈线性变化且变化较快；基底应力不均匀系数影响较大且呈非线性变化，先由大变小且变化较快，再由小变大且变化较缓。前趾长度确定过程中，在满足地基应力要求的条件下，根据应力不均匀系数的变化规律，前趾尺寸并不是越大越好，而是存在一个合理区间，过大、过小的前趾尺寸，会造成基础底面应力分布不均。

随着扶壁长度的增加，基底平均应力增大，基本上呈线性变化且变化较慢；基底应力不均匀系数较小，也呈现由大变小再由小变大的非线性变化趋势。适当的增加空箱岸墙的扶壁长度，能够有效的调整基底的应力分布，但是增加长度超过一定值后，会出现应力集中现象且其应力不均匀系数变化随着长度的增大而变快。

综合分析来看，设置前趾与扶壁都能够提高空箱岸墙的稳定性，且扶壁增长的效果更加突出；前趾加长能够有效减少基底平均应力，扶壁增长则会加大基底应力，前趾长短对应力大小的影响较扶壁长度更为明显；调整前趾、扶壁长度能够改善基础底面的应力分布，前趾长短对应力不均匀系数影响较大，而在相同前趾长度下，设置合适的扶壁能够有效改善基础底面的应力分布。在设计工作中，通过这种规律，能够较快的找到合适的结构尺寸，减少重复设计工作量。

4 结语

文章分别进行了不同前趾、扶壁长度下的空箱岸墙的稳定计算，扶壁较前趾对稳定更为有利，前趾较扶壁更能影响应力大小、应力分布，合适的扶壁能够有效改善应力分布。在设计工作中，利用前趾、扶壁对稳定计算的影响规律，可以有效减少工作量，提高设计效率。