双铰底板在大跨度水闸工程中的应用研究

常根朋

(南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210000)

1 前 言

双铰底板最初被应用于船闸工程中，因为船闸工程一般跨度较大，尤其是临海船闸工程。而水闸工程跨度一般在10～20m之间，对于更大跨度的水闸工程，一般采用多跨形式，以满足排涝行洪要求，需要考虑通航要求的水闸工程则单独设孔。

本文介绍的串场河防洪闸位于串场河上，河口宽约30m，河底高程为-2.10m，为盐城市主要航道，串场河防洪闸在满足防洪排涝要求的同时还需满足通航要求，参考相关规范及串场河上其他建筑物，确定闸孔净宽24.0m，在该地区属大跨度防洪闸，故采用双铰底板形式。

2 工程实例

2.1 工程概况

串场河防洪闸工程位于串场河与三墩港交汇处下游约200m处，所跨河道为Ⅴ级航道。

串场河防洪闸为开敞分离式结构，闸室顺水流向长19.0m，垂直水流向宽15.5m，通航孔净宽24.0m，闸上布置公路桥1座，闸底板面高程为-2.5m、底高程为-4.5m，闸墩顶高程为4.3m。两侧墩墙结合液压启闭机布置采用空箱结构，液压启闭机平台高程3.3m。

公路等级为三级，汽车荷载为公路Ⅱ级，设计时速40km/h。

基础采用φ50预应力混凝土管桩，桩低高程-18.0m。水闸设计见图1。

图1 水闸设计示意 (尺寸单位：cm)

2.2 地质条件

勘区地层属滨海相及滨海相成因类型，根据勘探揭示，工程地质条件一般，其中：

a.第3层淤泥质粉质黏土，局部为淤泥，属软土，流塑状态，偶夹砂壤土薄层或团块，见少量腐殖质，较均匀，层底标高-9.32m，压缩模量2.4MPa，承载力特征值60kPa。

b.第4层粉质黏土，可塑状态，含铁锰结核及少量礓石(最大块径2.5cm左右)，较均匀，层底标高-13.82m，压缩模量6.0MPa，承载力特征值160kPa。

c.第4B层轻粉质壤土夹粉质黏土中的轻粉质壤土呈稍密状态，局部中密状态，粉质黏土呈可塑状态，偶夹轻粉质砂壤土，含铁锰结核及小礓石，不液化，不均匀，层底标高-17.02m，压缩模量5.2MPa，承载力特征值125kPa。

d.第5层粉砂，中密状态，见小礓石及贝壳碎片，局部为轻粉质砂壤土，不液化，欠均匀，层底标高-19.02m，压缩模量7.5MPa，承载力特征值160kPa。

e.闸底高程为-4.5m，位于第(3)层淤泥质粉质黏土，压缩模量2.4MPa，承载力特征值60kPa，均较小。

3 底板结构比选及设计

3.1 底板结构比选

在防洪闸工程中，闸室是一个非常重要的部位，也是影响整个工程的主要因素，为获得最佳结构，设计了三种型式进行比选：ⓐ整体式平底板；ⓑ块基型底板；ⓒ双铰型底板。这三种型式通航孔均为净宽24m。比较如下：

a.整体式平底板结构。闸室与两侧空箱共用一块整底板，虽然整体性较好，但由于中跨为净24 m闸室，跨度较大，总跨长57m，中跨底板至少需要3.0m厚，用钢量高，结构较重，加大了地基处理的工程量，因而土建造价也最高。

b.块基型底板结构。此结构采用三块互不传力的底板，底板可以采用不同厚度，便于分别进行地基处理。但是中间底板在检修期不能满足抗浮要求，需加厚底板到3.0m，加大了混凝土量，还加大了基坑开挖土方和地基处理工程量；也可以采用抗拔桩基础通航孔底板，但底板下淤泥层较厚，抗拔桩较长，并不经济。

c.双铰底板结构。此结构采用三块底板，在底板之间采用铰接使三块底板传力不传矩，并在铰接处设止水形成不透水的分离式结构。对两侧空箱抗滑和中底板抗浮抗渗都有利，可以降低地基处理工程量，还可以调整三块底板下地基反力，使其分布尽量均匀，以减少地基不均匀沉降，缺点是中跨底板受力复杂。但这种型式地基处理和混凝土工程量都最小，结构轻，也最经济。

从安全稳定、适用经济、施工方便等因素综合考虑，本防洪闸采用双铰底板结构。

3.2 铰接处设计

底板总厚2.0m，考虑上下面层设水平止水，各厚0.5m，中间以1∶1.0放坡做铰，铰宽、高均为1.0m，铰接处结构见图2。

图2 铰接处结构 (单位：cm)

4 对双铰底板的研究分析

4.1 稳定方面研究分析

对防洪闸块基型底板和双铰型底板稳定分别进行计算，通过量化来说明双铰底板的优点，本次仅对垂直水流向进行计算。

4.1.1 块基型底板计算公式

(1)

∑G——作用于空箱基础底面的全部竖向荷载，kN；

A——空箱基底面的面积，m2；

∑M——作用于空箱基础底面以上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面顺水流向形心轴的力矩，kN·m；

W——空箱基础底面对于该底面顺水流向形心轴的截面矩，m3。

根据式(1)计算得：pmax=160.9kPa，pmin=70.2kPa，p平均=115.55kPa；

4.1.2 双铰型底板计算公式

双铰结构，地基反力按折线分布假定，按静力平衡条件求解。折线法是假定地基反力在整个基底上连续，且为折线分布；在铰接处只传递水平力和垂直力，不传递弯矩。地基应力按下列公式计算：

(2)

(3)

式中σ1——空箱前趾地基反力，kN/m2；

ΣV——作用于空箱上的垂直力总和，kN；

q——作用于底板上的均布荷载，kN/m2；

L——空箱底宽度与中底板半宽之和，m；

b——空箱底宽度，m；

σ2——空箱后踵与前趾的地基反力之差，kN/m2；

ΣM——作用于空箱段上所有荷载对铰点的力矩和，kN·m；

a——中底板半宽，m。

根据上述公式计算得：σ1=84.30kPa，σ2=21.78kPa。则：Pmax=σ1+σ2=106.08kPa，Pmin=σ1=84.30kPa，P平均=95.19kPa。

4.1.3 双铰底板在稳定方面的研究分析

块基型计算空箱段地基反力平均值为115.55kPa，双铰型计算空箱段地基反力平均值为95.19kPa，两者相差20.36kPa，根据底板尺寸，空箱段共减少重力5996.02kN。

防洪闸底板位于淤泥层，地基承载力仅为60kPa，本次采用管桩基础，根据桩基计算空箱底板下共计布置130根φ50预应力混凝土管桩，采用双铰底板单桩可减少承载力46.12kN，单桩可减少长度2.44m，总计减少317.4m，根据管桩单价205元/m，单侧空箱可减少投资6.5万元，双侧共计节省13.0万元。

通过上述计算，块基型底板在垂直水流向重心偏通航孔侧，偏心距为1.15m，双铰型底板垂直水流向重心偏空箱侧，底板受力更合理。

检修工况取上下游水位1.0m计算，两侧空箱分别向通航孔底板传力5213.4kN，共计施加压力10426.8kN；通航孔底板厚度仅为2.0m，内外水位差为5.5m，不能满足抗浮要求，需要加重1900kN，正常情况下可以通过加厚底板或采用抗拔桩处理，本次采用双铰底板弥补了检修期通航孔底板抗浮问题，设计上可对底板不做加重或抗拔处理，为安全起见，串场河防洪闸仍采用了管桩处理。

4.2 内力方面研究分析

对于内力方面的研究分析，本文采用块基型底板和双铰型底板进行比较。

4.2.1 模型建立

本次对结构内力计算采用“Autobank7.7”软件进行，顶板、底板及墩墙采用软件内梁单元、土层采用弹性材料模拟。

建立模型，见图3(以双铰底板为例)。

4.2.2 成果对比

模型计算弯矩成果见图4、图5。

图3 模型建立及网格划分 (单位：kN)

图4 双铰底板弯矩图 (单位：kN·m)

图5 块基型底板弯矩图 (单位：kN·m)

根据软件输出弯矩图，统计弯矩见表1。

表1 各位置弯矩统计 单位：kN·m

4.2.3 双铰底板在内力方面的研究分析

根据上述计算成果可以看出，块基型底板结构，通航孔底板承受弯矩小，而双铰底板弯矩相对较大，而边孔出现相反情况，块基型底板弯矩大，双铰底板弯矩小，边中孔由于上方墩墙承受较大交通桥荷载故而弯矩均较大。

通过分析，可认为这是双铰在结构内力分布上起到的调节作用。前文计算可知通航孔底板是不能靠自身满足检修期抗浮要求的，故而通航孔底板一般均较厚，本次通航孔底板(2.0m厚)相对空箱底板(1.2m厚)要厚0.8m，有能力承担更大的弯矩，并根据配筋计算，可知通航孔底板在两种底板结构下，由弯矩计算的配筋率均小于最小配筋率，由此可知双铰底板虽然增加了通航孔底板的弯矩，但是未增加配筋量，未造成投资的增加，而边孔弯矩的减少，也同时降低了底板配筋率，减少了工程投资，并缩短了底板裂缝宽度，结构也更加安全。

4.3 沉降变形研究分析

对结构沉降变形的研究分析主要通过查看空箱底板与通航孔底板分缝处变形情况，以更好地判断底板止水工作情况。

通过软件计算，可输出分缝处变形情况，见图6、图7。

图6 双铰底板铰接处

图7 块基型底板分缝处

由图6、图7可知，双铰底板在分缝处沉降变形是连续的，不间断的；而块基型底板在分缝处变形是不连续的，间断的。 设计上在分缝处均需要设置水平止水，以满足渗径长度和闸室检修需要，双铰底板沉降连续，两侧沉降差不大，加上铰接的保护，水平止水不会承受较大内力，安全系数高；而块基型底板分缝处两侧底板沉降差大，出现了断崖式间断，无其他保护措施，水平止水将承受较大内力，极易撕裂漏水；由此可见双铰底板在分缝处变形良好。

5 结论及建议

本文通过对两种底板结构的对比研究，详细介绍了双铰底板在大跨度水闸工程中的应用优势，串场河防洪闸工程实施后，经第三方检测单位检测，分缝处沉降差小，底板无漏水情况，工程运行良好。

双铰底板在水闸、闸站工程中的应用工程案例较少，通过实际工程对双铰底板的计算和研究，认为结构模型尚不能更好地模拟工程实际情况，并且桩基对闸室的影响也是一个复杂的课题，需要更加深入地研究。