预应力技术在朝东圩港枢纽闸站工程中的应用

吴昌新 林 农 陈 坚 徐子令

预应力技术在朝东圩港枢纽闸站工程中的应用

吴昌新 林 农 陈 坚 徐子令

一、工程概况

1.基本情况

张家港市朝东圩港枢纽闸站工程位于张家港市朝东圩港河道与长江的交汇处，距长江边200m。工程以防洪、排涝、挡潮、引水为主，兼顾通航。泵站在枯水期从长江引水通过朝东圩港将水送至市区河道，改善城区河道水环境；当汛期潮位高于内河水位时通过泵站抽排。节制闸主要作用为排除汛期朝东圩港圩区涝水，或者通过自引江水送水到市区河道。朝东圩港为VI级航，通过节制闸通航孔通航。

2.工程地质

节制闸底板底高程为-1.8m，位于②层（Q4al-pl）青灰、灰色粉砂夹薄层粉质粘土，松散，中压缩性，中等透水，力学强度低，地基承载力为75kPa。泵站底板底高程为-5.6m，位于③层（Q4al-pl）灰色淤泥质粉质粘土、重粉质壤土，夹薄层砂壤土，流塑，高压缩性，极微透水，力学强度低，地基承载力为60kPa。节制闸和泵站地基均需要处理。

二、工程特点及关键技术

1.工程总体布置

朝东圩港枢纽闸站工程由节制闸和泵站两部分组成，从减少征占地、便于运行管理以及进出水引河的流态等因素考虑，采用闸站结合的布置方案，泵站采用堤身式布置，站身顺水流向总长为30.50m，总宽17.50m，进出水流道采用“X”字型双向流道，可抽排、抽引，亦可利用下层流道开通自排、自引。

因节制闸与泵站底板高程相差4m，两座建筑物之间的连接成为设计的重点和难点。本工程设计采用空箱隔墙及上、下游导流墙分隔节制闸和泵站，既解决了高差问题，又改善了进出水的水流条件，提高了泵站的运行效率，同时防止了河道的冲刷。空箱隔墙宽6m，长30.5m；上游导流墙长31.5m，下游导流墙长24.5m。

2.地基处理方案选择

由于枢纽场地为长江下游冲积平原区，场地土类型为软弱场地土，强度较低，力学性能差，需进行地基处理。设计对水泥土深搅桩复合地基和钻孔灌注桩基础两种方案进行了比较，从造价分析看，水泥土深搅桩比钻孔灌注桩投资少，但从张家港市以往施工过的同类泵站情况看，水泥土深搅桩的安全可靠度较差，质量难以控制，且施工周期长、施工工艺要求高、质量检测也较复杂。钻孔灌注桩基础造价相对高一些，但施工工艺成熟，质量易于控制，且施工期短。考虑到该枢纽工程施工工期紧，同时地方对该枢纽工程的安全性要求较高，故设计泵站、节制闸、中隔墩及上、下游导流墩以及上、下游翼墙均采用Φ0.8m的C25钢筋混凝土钻孔灌注桩基础处理方案。站身部位桩中心距2.4 m×2.65m；节制闸闸墩部位桩中心距2.4 m×2.4m。为满足防渗要求，在泵站和节制闸上、下游底板下采用0.22m厚C25混凝土地下连续墙与上下游翼墙连接形成封闭，较好地解决了地基防渗问题。地下连续墙在节制闸部位墙底高程为-8.0m，在泵站和翼墙部位墙底高程为-10.0m。

3.预应力技术应用于水工建筑物

节制闸底板为42m长一块整底板，超过水闸设计规范规定的土基上分段长度不宜超过35m的要求。根据节制闸底板内力计算结果，按普通钢筋混凝土结构受弯构件承载能力极限状态计算，底板面层应配置Φ25@100受力钢筋，按正常使用极限状态控制裂缝宽度要求计算，应配置单层Φ25@75受力钢筋或者双层Φ25@150受力钢筋。钢筋配置太密，用钢量较大，混凝土的振捣较难密实，为此特引入部分预应力混凝土设计理念。设计中考虑将底板面层和底层钢筋各设置为两层，外层配置一层Φ25@100受力钢筋，主要作为结构受力钢筋；内层配置一层预应力钢筋，主要作为结构抗裂钢筋，并且设置后浇带。在底板中预埋波纹管，先期管中通水降低底板内部混凝土温度，底板达到设计强度后再进行预应力张拉。在底板垂直水流方向距离面层和底层20cm位置布置预应力钢筋，预应力钢筋采用7Φ4钢绞线，间距0.8m。张拉时单束钢绞线张拉控制力为84kN，上、下层同时张拉，张拉次序按钢绞线编号对称张拉。底板顺水流方向在两边孔各设置一道宽1.0m后浇带，顶部和底部采用2[14a槽钢进行横向顶撑，竖向采用∠7×4角钢与槽钢焊接形成骨架。在底板预应力张拉结束后采用C30微膨胀混凝土浇筑。通过这些措施，较好地解决了超长底板温度应力和不均匀沉降等问题。

4.机泵选型及流道设计

该泵站主要任务是引长江水治理城市水环境，且兼有排涝功能，属于低扬程泵站，设计对卧式轴流潜水泵方案和立式开敞式轴流泵方案进行了比选。根据朝东圩港枢纽排、灌、引的要求，结合土建部分的设计，综合考虑运行性能的稳定可靠性，机泵安装、维修保养、经费投资等原则，设计采用立式开敞式轴流泵方案，选取2台2000ZLB16-3.9开敞式立式轴流泵。单机设计流量为16m3/s，总设计流量为32m3/s。泵站采用2台TL900立式同步电机，单机容量为900kW。由于泵站选用同步电机，可向电网输送无功功率，不需进行无功补偿。

在流道设计中对单向流道和双向流道从装置效率、经济性及运行管理等方面进行了比较，设计采用双层涵洞式进出水流道，流道进、出口设置两道闸门，通过闸门控制可方便地实现双向抽水，也可利用下层流道自排、自引。单孔流道净宽6.5m，共2孔，上层流道净高3.0m，下层流道净高3.2m。为了改善水泵进口处的流态，水泵叶轮室进口下方增设混凝土喇叭管，叶轮下部设导水锥。

三、工程先进性和创新特点

预应力混凝土是为了避免钢筋混凝土结构的裂缝过早出现，充分利用高强钢筋及高强混凝土，设法在混凝土结构承受使用荷载前，通过施加外力，使构件受到的拉应力减小，甚至处于压应力状态下的混凝土构件。目前，预应力混凝土已经广泛用于工业与民用建筑及交通工程，但预应力技术在水利工程中的应用还比较少。该工程将预应力技术应用到超长节制闸底板中，创新地解决了复杂结构与地基情况下大规格底板的设计问题，成功地实现了预防不均匀沉降和温度应力影响产生的裂缝等技术难点，与国内外同类工程先进程度相比较处于领先地位。

节制闸底板厚1.8m，属于大体积混凝土，借鉴船闸工程的设计经验，通过设置后浇带，能有效地降低边荷载，减少底板弯矩，并且有利于大体积混凝土的散热，减少因水化热产生的温度裂缝。

四、结语

张家港市朝东圩港枢纽工程建成后底板未见任何裂缝，投入使用以来，运行情况良好。预应力技术在水利工程结构设计中的成功实践与应用，减少因结构太长而设置伸缩缝产生的不均匀沉降和温度应力影响产生的裂缝，为超长结构的设计提供了有价值的经验。在南水北调东线泗洪站枢纽工程船闸闸首工作桥19.2m长框架梁中也采用预应力结构，降低了梁高，减少了梁的挠度，防止了裂缝产生。该技术在同类型的水闸义泽河闸41.4m长的一块超长底板中也得到了成功的应用。预应力技术还可以应用于大型泵站的进出水流道以及大型水闸的公路桥和工作桥梁等结构以防止温度应力，具有广泛的应用前景。

（作者单位：淮安市水利勘测设计研究院有限公司 223005）

（专栏编辑：张 婷）