基于进度优化的兴隆枢纽挡土墙结构调整方案

2015-04-19吴云飞郭红亮

四川水利 2015年3期

吴云飞，郭红亮

(1.中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066;2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉，430010)

1 概述

兴隆水利枢纽位于汉江下游湖北省潜江、天门市境内，是南水北调中线汉江中下游四项治理工程之一，同时也是汉江梯级开发的最下一级。工程枢纽由泄水闸、船闸、电站厂房及两侧滩地上的连接交通桥等主要建筑物组成，开发任务以灌溉和航运为主兼顾发电。

泄水闸布置在主河槽和左岸低漫滩，其右侧紧邻布置电站厂房。泄水闸段总宽991m，其中闸室段总宽953m，共56个闸孔，单孔净宽14m;闸室段左右两端各设有一个门库，宽19m;闸室底板顺流向长度25m。闸室上游进水渠设有防渗铺盖、混凝土板护底及抛石防冲槽，总长85m;闸室下游出水渠则为消力池、混凝土海漫和抛石防冲槽，总长125m。电站厂房段总宽112m，主厂房段建基面高程为10.2m～12.8m，低于门库和闸室建基面约12m～15m。电站进水口前的进水渠水平段长5m，宽80m，高程为14.7m;往上游以1∶4.5坡度抬高至27m高程，同时向左右两侧分别以18.9°和18°角度扩散形成喇叭口。尾水渠在尾水管出口后水平段长5m，宽80m，高程为17.3m;往下游以1∶10坡度抬高至25.5m高程，同时向左右两侧分别以12°和9.3°角度扩散形成喇叭口。

兴隆枢纽地层上部为深厚粉细砂，平均厚度约20m，其下为砂砾石层。

电站厂房与相接泄洪闸处施工安排为:电站厂房建基面高程低，最先放坡开挖厂房基坑，开挖坡比1:3，开挖范围涉及泄水闸最右侧两个闸室、门库、“L”形导墙、挡土墙等部位;电站厂房地基处理及下部混凝土浇筑;挡土墙混凝土浇筑;在厂房边墙和挡土墙混凝土上升高度超出门库、闸室、“L”形导墙等部位建基面后，进行上述部位的粉细砂回填和水泥土搅拌桩地基处理。之后各部分施工相对独立。

2 挡土墙布置及结构

2.1 上游挡土墙

上游挡土墙平面布置呈现上窄下宽的锲形，上接电站上游防冲槽，宽2m;下接“L”形导墙和厂房结构轮廓，宽21m;左侧与导墙过流面平齐，右侧为电站进水渠喇叭口轮廓线。挡土墙顺流向水平长60.35m。下游建基面有长5m的水平段，其他建基面与电站进水渠相同，坡度为1∶4.5。

挡土墙采用薄壁空箱式钢筋混凝土结构，分为三段，结构①②段水平长20m，结构③段水平长20.35m。挡土墙①承受泄水闸和“L”形导墙两侧土作用，泄水闸侧最大挡土高度约13m，导墙侧挡土高度约11m;挡土墙②段最大挡土高度约7m;挡土墙③挡土高度小，但其承担拦漂排墩荷载，为实体结构。

①段空箱结构底板厚1.5m，挡土两侧墙厚1m，另两侧墙厚0.6m;空箱内中间设横向隔墙一道，隔墙厚度0.4m。空箱顶板高程28m，厚0.25m。②段空箱结构底板厚1m，四周墙厚0.6m，其他与①段相同。空箱内充填粉细砂高程为23.7m，表面为10cm厚素混凝土保护。①②段空箱结构底板、顶板、四周墙体及横向隔墙，均双面配有结构受力和构造钢筋。墙顶导墙布置在泄水闸一侧，为悬臂式结构，顶高程37m，顶部厚度1m。

挡土墙平面布置和纵剖面见图1和图2，①段结构横剖面见图3。

图1上游挡土墙平面布置(单位:m)

图2上游挡土墙纵剖面(单位:m)

图3上游挡土墙①横剖面(单位:m)

2.2 下游挡土墙

下游挡土墙平面布置也呈上宽下窄的锲形，上接门库，宽19m;下接电站防冲槽，宽1.38m;左侧与门库墩墙平齐，右侧为电站尾水渠喇叭口轮廓线。挡土墙顺流向水平长91.5m。上游建基面有长8.5m的水平段，其他部分建基面与电站尾水渠相同，坡度为1∶10。

采用SPSS 22.0软件对数据进行分析处理，计量资料以（均数±标准差）表示，采用t检验；计数资料以（n，%）表示，采用χ2检验，以P＜0.05表示差异具有统计学意义。

挡土墙结构分为五段，上游四段水平长20m，最末端水平长11.5m，同为充填粉细砂薄壁空箱式钢筋混凝土结构。

3 结构方案调整缘由

在工程建设过程中，由于种种客观原因，挡土墙部位具备施工条件时已滞后原定工期数月，本不占直线工期的挡土墙施工成为关键线路，严重制约门库、“L”形导墙、闸室等部位的回填、地基处理以及后续混凝土施工，影响整个工程进度。常规设计的薄壁空箱式挡土墙，里面还填有粉细砂，侧重点在节约工程投资。挡土墙原本不在施工关键线路上，施工虽较复杂，仍应是经济合理的方案。但随着现场施工实际情况的变化，工期转变为制约因素，空箱式挡土墙结构面多、结构尺寸小，体型复杂，模板和钢筋制作安装工作量大、耗时长，加之空箱内回填粉细砂，工序之间施工干扰也大，迫切需要基于进度优化调整挡土墙结构型式。

4 结构调整方案

4.1 调整方案

调整方案主要目的是简化工程施工，加快工程进度，同时尽量不显著增加投资。

由于泄水闸和电站进出水渠体型需要，挡土墙四周外围轮廓需保持不变。空箱式结构缺点是模板和钢筋制作安装工作量大，耗时长。如果调整为实体混凝土结构，则将大幅减少模板和钢筋制作量，有利于加快施工进度。但实体混凝土结构因自重大，造成地基承载力不能满足要求;同时作为大体积混凝土，尚需采取必要的温控措施;混凝土工程量大幅增加，投资也相应增加过多。为此，提出了“蜂窝”式实体结构调整方案，通过在实体中设置“蜂窝”状开孔，在满足挡土墙抗滑稳定的前提下，既控制基底应力不超过地基承载力，同时能大量减少混凝土工程量，大幅增加散热面积，简化温控措施。经调研，工地附近预制商品水泥管生产厂家较多，管径系列较全，为加快进度，选用大直径水泥管作为开孔模板。可用作开孔模板的水泥管内径为1.2m和1m，壁厚10cm，强度等级为C20。计划先浇筑一定厚度底板，底板以上间隔放置预制水泥管作为“蜂窝”的开孔模板，在水泥管以外的仓面内浇筑混凝土，形成“蜂窝”式实体结构。

现以上游挡土墙①为例，具体说明“蜂窝”式实体结构调整方案。

“蜂窝”式实体结构方案外围轮廓保持不变。挡墙抗滑稳定和地基承载能力控制工况均为施工完建期。因“L”形导墙侧挡土需要，下游2.5m段长范围内墙顶高程保持28m不变，其他部分则调整为24m。“蜂窝”开孔的比例根据抗滑稳定及地基承载能力确定，水泥管在整个外轮廓水平投影面积上的开孔率为35%。根据布置需要，上游挡土墙①开孔以管内径1.2m的水泥管为主，局部采用管径1m的水泥管。

因泄水闸和“L”形导墙两侧挡土高度大，从最外侧开孔到结构外轮廓，现浇混凝土墙厚分别为1.8m和1.5m，另外两侧最小现浇墙厚则不小于0.2m。水泥管按梅花形摆设，水泥管最小净距不小于35cm，水泥管之间留有足够施工空间，便于人员在其间穿行作业。水泥管顺流向摆设12排，其中最上游一排管内径1m，其他各排管内径1.2m;排间距除上游第一排和第二排之间为1.5m外，其余均为1.6m;同排内水泥管间距为1.6m。水泥管顶高程为24m，除最下游一排外，均为敞口;水泥管底高程随建基面坡度而变化，保持开孔以下底板厚度与原空箱结构底板相仿，约1.5m。预制水泥管既作为开孔模板，又成为挡墙的组成部分，要求水泥管错开接头，在混凝土浇筑前先洒水保持湿润。“蜂窝”式上游挡土墙①共有直径1.2m的开孔113个，开孔总长817m;直径1m的开孔8个，开孔总长41m，总开孔体积955m3。现浇混凝土强度等级为C25，方量为2515m3。调整为“蜂窝”式实体结构后，除保留导墙悬臂结构和底板底面钢筋外，其他钢筋全部取消。

调整后的上游挡土墙①结构的平面、纵剖面和横剖面见图4～图6。

除上游挡土墙③本为实体结构不作调整外，其他结构段的调整方案与此基本相同。

图4调整后上游挡土墙①结构平面(单位:m)

图5调整后上游挡土墙①纵剖面(单位:m)

4.2 相关计算

4.2.1 基底应力和抗滑稳定计算

以上游挡土墙①段为例，计算结果为:基底应力最大340kPa，最小应力141kPa，小于地基承载能力400kPa，应力不均匀系数2.41，小于基底最大值与最小值之比的允许值2.5;抗滑安全系数1.28，大于抗滑安全系数的允许值1.20。基底应力、不均匀系数和抗滑稳定都能满足要求。

4.2.2 “蜂窝式”实体结构计算

采用有限元法对“蜂窝式”实体进行结构计算分析。计算采用大型通用商业有限元软件ANSYS，不考虑地基影响，只取“蜂窝式”实体建模。边界条件为底面位移全约束，荷载为结构自重和土压力。建模时，偏于保守考虑，以水泥管外径开孔，不考虑水泥管所起作用，但水泥管重量则以相应放大混凝土容重方式计入。

以上游挡土墙①段为例，采用六面体实体单元SOLID185，共形成71986个节点，划分为318187个单元，取完建期控制工况进行计算。计算表明，“蜂窝式”实体内部最大剪应力约63kPa，顺流向和横流向的底板底面正应力值均为压应力，大小约30kPa～65kPa;水泥管底处的底板顶面正应力值也均为压应力，大小约0.15kPa～0.22MPa。

总的来看，“蜂窝式”实体各部分应力水平均很小，远在混凝土自身可承担能力以内，无需配置钢筋。

另外，经计算，底板底面配置的一层间距20cm直径20mm的钢筋网，满足施工期底板承担施工荷载的要求。