穿堤涵闸拆除重建典型设计

刘顺萍 张健梁 李浩瑾 袁素梅

穿堤涵闸拆除重建典型设计

刘顺萍 张健梁 李浩瑾 袁素梅

在河道治理工程中，两岸堤防穿堤涵闸较多，但结构大致相似，前期设计可挑选左右堤不同孔径、不同流量、需要拆除重建的涵闸进行典型设计。

河道治理 穿堤涵闸 拆除重建

1 工程布置

金钟河虾场三站闸在原闸位上重建，桩号为53+000，原闸共3-2 m×2 m，拆除重建为2-3 m×2 m，由进口、穿堤涵管、出口三部分组成，由临河侧到背河侧长度分别为10、36、17 m。

进口段分别设浆砌石护坡、护坦、八字翼墙。两岸八字翼墙与闸室顺水流方向夹角为10°，翼墙段顺水流方向长10 m，翼墙顶高程为1.70 m，最大墙高4.50 m，与两侧边墩相接。进口段引渠底宽7 m，两岸边坡为1∶2.5，全断面浆砌石护砌，渠底高程-2.0 m，与原引渠自然顺接。

涵洞与闸室段长36 m，闸室设在进口，洞身为钢筋混凝土整体式箱型结构，中间设伸缩缝3道，缝内设止水。闸室底板顶高程为-2.00 m，底板厚0.80 m。涵洞底板顶高程-2.00 m，底板厚0.5 m。涵洞临河侧、背河侧设胸墙。闸室墩顶设排架支承双T形梁机架桥，机架桥桥面高程4.955 m，长8.92 m，宽3.0 m。为了方便管理人员维修和操作，特设计钢梯与机架桥桥面相连。

出口段设钢筋混凝土消力池、浆砌石护底、八字翼墙及出口段排水渠。消力池长10 m，池深0.5 m，底板厚0.4 m，设Φ50PVC排水孔，底部做反滤；翼墙顶高程为2.00 m，最大墙高5.30 m，墙身设2排Φ50PVC排水管，并在墙后做反滤；浆砌石护底长7 m，两侧为1∶2.5浆砌石护坡；出口排水渠与原排水渠自然顺接。

2 防渗设计

闸前最高水位3.71 m，闸后按无水计，最大水头差5.71 m。闸基淤泥质黏土渗径系数取C=6，计算所需渗径长度为34.26 m，设计闸基防渗长度36 m，满足防渗要求。

3 消能防冲设计

3.1 消力池长度计算

消力池长度按下列公式进行计算：

hc——收缩水深，m；

α——水流动能校正系数，采用1.05；

q——过闸单宽流量，m2/s；

Lsj——消力池长度，m；

b1——消力池首端宽度，m；b2——消力池末端宽度，m；

T0——由消力池底板顶面算起的总势能，m；

Ls——消力池斜坡段水平投影长度，m；

β——水跃长度校正系数，采用0.8；

Lj——水跃长度，m。

3.2 消力池底板厚度计算

根据抗冲要求，消力池底板厚度按下列公式进行计算：

式中 t——消力池底板始端厚度，m

ΔH′——闸孔泄水时的上、下游水位差，m；

q——过闸单宽流量，m2/s；

k1——消力池底板计算系数，采用0.2。

经计算，设计洪水情况下，过闸流量按10 m3/s计，需要消力池长度为9.77 m，消力池底板厚度0.345 m，本工程设计消力池长度为10 m，消力池底板厚度为0.4 m，满足消能要求。

4 闸室稳定计算

选取计算单元：进口闸室与洞身结合段。

闸室稳定计算公式：

kPa；

A——基底面的面积，m2；

ΣM——作用在计算段上全部竖向和水平向荷载对基底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m；

W——基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，m3；

η——基底应力不均匀系数。

计算结果见表1。

计算结果表明，在各种计算情况下，闸室抗滑稳定安全系数均满足规范允许值；地震工况下基底最大应力与最小应力之比不满足规范要求，平均基底应力均大于地基允许承载力，最大基底应力均超过地基允许承载力的1.2倍。因此，需进行地基处理。

表1 闸室稳定计算成果表

5 翼墙稳定计算

计算结果见表2。

在各种计算情况下，翼墙抗滑稳定安全系数和地基应力不均匀系数均满足规范允许值；但平均基底应力均大于地基允许承载力，最大基底应力均超过地基允许承载力的1.2倍，不满足规范要求，因此，需进行地基处理。

表2 翼墙稳定计算成果表

6 闸室和翼墙地基沉降计算

闸室和翼墙地基沉降量计算采用单向压缩分层总和法。

沉降计算采用公式：

式中 S∞——土质地基最终沉降量，m；

n——土质地基压缩层计算深度范围内的土层数；

avi——基础底面以下第i层土的压缩系数，kPa-1；

e1i——基础底面以下第i层土的初始孔隙比；

σzi——基础底面以下第i层土的平均附加应力，kPa；

hi——基础底面以下第i层土的厚度，m；

m——地基沉降修正系数，可采用1.0～1.6（坚实地基取较小者，软土地基取较大者），本工程为软土地基，取1.6。

经计算，闸室和翼墙的最终沉降量分别为8.14 cm和13.56 cm，满足SL 265—2001《水闸设计规范》第8.3.6条最大沉降量不超过15 cm的要求；但相邻部位最大沉降差为5.42 cm，不满足天然地基相邻部位最大沉降差不超过5 cm的要求，需进行地基处理。

7 地基处理

该闸建基面高程为-2.8 m，下卧地层为淤泥质黏土、黏土等，为中高等压缩性土，地基允许承载力为60～90 kPa，为软土地基。穿堤涵闸地基处理，应遵循变形控制原则，重视相邻建筑物以及建筑物与堤防之间的变形协调问题，以避免不均匀沉降造成渗透通道。

地基处理考虑采用水泥搅拌桩方案，水泥搅拌桩形成的复合地基最大限度地利用了原土，与刚性桩基相比，水泥搅拌桩所用材料少、投资小且更能适应变形协调，桩体凝固后其物理力学性质较天然土有较大变化，形成整体性强、且有足够强度的复合地基，提高了地基承载力，减少了沉降量。

加固后搅拌桩复合地基承载力标准值，严格意义上应通过现场复合地基载荷试验确定，可研设计时参照JGJ 79—2002《建筑地基处理技术规范》，按下式进行估算：

式中 fsp,k——复合地基承载力特征值，kPa；

m——面积置换率；

Ap——桩的截面积，m2；

β——桩间土承载力折减系数，当桩端土为软土时取0.5～1.0，当桩端土为硬土时取0.1～0.4，当不考虑桩间软土的作用时取0；

fs,k——桩间天然地基土承载力标准值，kPa；

η——强度折减系数，可取0.35～0.5；

fcu,k——与搅拌桩桩身加固土配比相同的室内加固试块的90 d龄期的无侧限抗压强度平均值，kPa；——桩间土的平均摩擦力，对淤泥可取5～8 kPa；对淤泥质土可取 8～12 kPa；对黏性土可取12～15 kPa；

Up——桩周长，m；

l——桩长，m；

qp——桩端天然地基土的承载力标准值，kPa；

a——桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4～0.6。

经计算，水泥搅拌桩采用直径0.5 m，桩长7 m，桩间距1.2 m×1.2 m呈三角形布置时，复合地基承载力由原来的60 kPa提高至134.40 kPa，满足地基承载力要求。采用水泥搅拌桩复合地基后，可有效地减少基础底面的应力集中和建筑物相邻部位的沉降差问题。

刘顺萍 女 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

张健梁 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

李浩瑾 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

袁素梅 女 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

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