新型桩基透空式导流屏应用与结构特性研究

2016-10-19湖南省水运建设投资集团有限公司

珠江水运 2016年18期

◎ 宋　辉　湖南省水运建设投资集团有限公司

新型桩基透空式导流屏应用与结构特性研究

◎ 宋辉湖南省水运建设投资集团有限公司

为了研究新型桩基透空式导流屏，针对沅水五强溪水电站船闸下游引航道口门区存在的碍航问题，采用整体定床水流模型与遥控自航船模试验相结合的研究手段，验证五强溪水电站下游引航道改造设计方案的工程效果，并从改善通航条件、降低工程造价、便于维护等角度，对设计方案进行论证优化，提供试验技术参数，为施工图设计方案优化比选提供科学依据。此外，通过分析新型桩基透空式导流屏主要材料性能、施工方法、工艺特性等，提出有利于工艺的应用措施。

透空式导流屏结构特性

1.引言

新型桩基透空式导流屏是一种新型结构，近年来受到越来越多的关注。这是因为从工程造价、施工、对环境的影响等方面，通过对空心防波堤的效果要好于固体防波堤。通过空气导流式屏幕的因素很多，一个新的基础，主要在波陡（H/L），相对水深（D），堤顶宽度（B）和浸泡的相对深度（a/H）。透水防波堤，波浪传递到堤防漫顶和传输是由两部分组成，然后考虑波流相互作用的需要。五强溪水电站船闸下游引航道改造工程在初步设计阶段只有数值模拟可供参考，初步设计采用浮堤桩基连系墩方案。现针对该工程开展物理模型试验研究，并结合模型试验成果对设计方案进一步优化，施工图设计拟采用深槽回填+桩基透空式导流屏方案。

2.新型桩基透空式导流屏应用与结构施工

本课题研究的五强溪水电站下游引航道的新型桩基透空式导流桩基透空式导流屏紧挨原导航布置，从上游至下游分别平行错位布置11个连系墩和10段插板，各联系墩与原导航墙稍朝内侧偏转19.1°，总长218.523m。

2.1新型桩基透空式导流屏主要材料性能

（1）混凝土

桩基采用C30水下钢筋砼；承台、墩柱、插板采用C30钢筋砼；预制块采用C15砼；配制混凝土所采用的水泥、砂、石、水等材料及混凝土的配合比、拌制、运输和浇注应符合《水运工程混凝土施工规范》（JTS202-2011）和本工程施工招标文件相关规定。

（2）普通钢筋

普通混凝土结构钢筋采用HRB400级、HPB300钢筋。钢筋型号HRB400，fy=360MPa；钢筋型号HPB300，fy=270MPa。钢筋标准必须符合GB1499-98、GB13013-1991及《水运工程混凝土结构设计规范》（JTS151-2011）。

（3）钢材

技术标准必须符合“GB/T1591-2006”的规定，选用的焊接材料应符合“GB/T5117-2012”和“GB/T5118-2012”的要求，并与所采用的钢材材质和强度相适应。

钢板：采用《碳素结构钢》（GB700-2006）规定的Q235B钢板

2.2新型桩基透空式导流屏结构施工

（1）钢围堰施工

钢围堰采用双壁钢结构，带砂卵石回填和基床开挖后，潜水员找平，钢围堰直接沉放至平整基床上，底部四周做填筑防护。计划安排水上承台施工是在枯水期内完成，因此钢围堰设计顶标高按55m考虑，水下承台底标高最低的为39m，围堰封底最低为36.5m，围堰抽水后施工的最大水头差17m，水流流速2.7米/秒，综合考虑以上因素，本工程采用双壁钢围堰进行施工。为保证承台施工，考虑水流速度较大，沉放过程中安装偏差大，故钢围堰内应预留承台模板施工作业空间。钢套箱的加工要指定专业的企业进行分块加工，具体施工人员在接到设计图纸后，应组织人员进行图纸审核、设计交底，按照设计图纸、相关规范及工艺进行钢套箱的加工。

（2）φ2500钻孔桩施工

本工程有φ2500钻孔桩36根，均距离岸侧较远，故利用已沉放钢围堰搭设水上钢平台进行钻孔桩施工，钢平台围堰沉放后分三次安装。

2.3新型桩基透空式导流屏结构效果

桩基端承层为中风化板岩，1#～7#墩桩基嵌岩深度不小于5.5m，且桩长不小于12m，因此根据各墩实际地质情况，各墩体桩底标高分别定为：1#墩27.5m、2、5#墩24.0m、3、4#墩21.0m、6#墩26.0m、7#墩29.0m；考虑8#～11#墩结合实际地形采用重力式实体连系墩形式，要求基底奠基层为中风化板岩，基底标高均定为39.0m。考虑导流屏主要功能是改善水流条件，且错位斜线布置，船舶无法靠近导流屏，且从工程经济角度考虑，导流屏墩体标高仅需满足挡流即可，工程最大通航流量7800m3/s时对应下游水位为57.53m，连系墩墩顶标高为58.5m。桩基墩体结构形式结合地形情况进行布置，导航堤堤头下游存在深达15m的深槽，方案中有1#～7#墩位于该深槽范围内，为保证墩体下满足桩基承载力要求，各墩体承台底标高分别为：1#墩39.5m、2#～5#墩40.0m、6#～7#墩41.5m。1#、6#～7#墩体承台下通过4根直径为2.5m的桩基与下部地基连接，2#～5#墩体承台下通过6根直径为2.5m的桩基与下部地基连接；而深槽以外8#～11#墩体底标高为39.0m，墩体承台直接坐落在中风化板岩上。墩体及承台采用C30钢筋混凝土。墩体承台下桩基采用C30钢筋混凝土灌注桩。

相对布置的插槽之间净距为17.5m，插槽宽0.84m。插板分为10块等高插板分层排列，每块插板高1m、宽0.8m、长17.4m。插板采用C30钢筋混凝土结构，上下层插板通过吊装孔相互连接。为控制横向水流透空，对口门深槽进行回填，回填至标高45m，深槽回填从上至下分别为：1.5m厚C15砼预制块、6.5m厚20～50kg块石、粒径为20mm～50mm砂卵石；C 1 5砼预制块尺寸为：1.5m×1.5m×1.5m（长×宽×高），要求平整紧密摆设。

3.新型桩基透空式导流屏特性研究

根据试验分析分析，对拟建场区内各岩土层物理力学性质评价以及对拟建工程基础形式和持力层的建议如下：冲填土：松散，成分较杂，为近期水力充填而成，厚度小，分布不均，物理力学性质较差，应予以清除，不宜作为拟建工程基础持力层；强风化板岩：岩质软，岩石破碎，现场重型动力触探试验实测击数大于50击，岩体基本质量等级为Ⅴ级，根据地区经验和本次勘察成果建议该层承载力设计值fd=350kPa。该层土物理力学性质较好，承载力稍高，但厚度较小，分布不均，不宜作为拟建建筑物基础持力层；中风化板岩：属较软岩，岩体基本质量等级为Ⅳ级，岩石饱和单轴极限抗压强度试验范围值为19.4～50.6MPa，平均值为35.0 MPa，标准值frk=31.6MPa。根据地区经验和本次勘察成果建议该层承载力设计值fd=1500kPa。该层下伏于整个场区，厚度大，本次勘探未揭穿，力学性质好，可以直接作为拟建建筑物基础持力层。根据上述分析，结合拟建引航道浮式导航墙的结构形式，建议基础形式采用桩基础，以中风化板岩为基础持力层，且基础埋深必须通过验算并符合有关规范规定。

通过本文初步研究，为了展开更加深入研究应该从以下几方面考虑：

（1）以五强溪枢纽为背景，运用浸入边界法，建立船闸引航道口门区附近河段局部三维水流数学模型。并运用数学模型对无导流结构的引航道口门区三维水流结构进行精细模拟，观测三维流速分布，验证数学模型。

（2）运用数学模型，增加有桩基透空式导流屏结构，选取不同水深与流速工况组合，开展桩基透空式导流屏结构对船闸口门区三维水流运动影响机理的研究，获得底部水流横（纵）向扩散形态及垂向扩散形态，以及导流墙下游扩散段三维流场分布规律，研究在复杂水动力条件下的船闸口门区主要流场分布形态，分析不良流态的产生条件，研究桩基透空式导流屏结构作用下的突扩水流能量转换规律。

（3）运用数学模型，选取不同透空高度与横向间距组合试验方案，调整导流屏横向间距及底部透空高度，开展桩基透空式导流屏结构设计参数研究，计算不同导流屏横向间距、不同透空高度下引航道口门区三维流速分布，分析各结构设计参数对船闸口门区三维水流结构的影响规律。

（4）根据能量守恒原理，以最大横向流速0.3m/s控制标准，开展桩基透空式导流屏结构设计参数与来流水动力条件的相关性分析，确定影响口门区通航水流条件的关键因素，提出设计参数确定原则，确定桩基透空式导流屏结构适用范围，为其它类似工程提供借鉴。