自沉式组合钢围堰设计

杜春林 毛建华 毛建党 薛娟娟

摘 要：由于传统围堰存在较多不足，难以满足各地用水需求，因此，本文设计了一种自沉式组合钢围堰。首先对组合围堰的整体结构进行简要介绍，然后计算其在施工作业过程中承受的压力，分析其稳定性。结果表明，该组合围堰在结构设计上能满足水压作用的要求，且能满足稳定性的要求。

关键词：自沉式组合钢围堰；压力；稳定性

中图分类号：TV53+8.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）17-0080-03

Self-sinking Composite Steel Cofferdam Design

DU Chunlin MAO Jianhua MAO Jiandang XUE Juanjuan

Abstract： Because there are many deficiencies in the traditional cofferdam， it is difficult to meet the water demand. Therefore， a self centering composite steel cofferdam was designed in this paper. First， the overall structure of the combined cofferdam was briefly introduced， then the pressure on the construction process was calculated， and its stability was analyzed. The results showed that the combined cofferdam could meet the requirements of water pressure in structural design and meet the requirements of stability.

Keywords： self sinking composite cofferdam；pressure；stability

1 设计背景概述

在水利工程建设中，为防止水和泥沙对建筑物修建位置的影响，常常需要在建筑物修建位置周围事先修建围堰[1]。作为临时性挡水建筑物，围堰应同时满足以下要求：具有稳定的结构和较强的刚度，且具有一定的防滲和抗冲击能力；构造上简单，以便围堰施工和工程结束后进行拆除；布置上应顺应水流，不发生局部冲刷[2，3]。

传统围堰包括草土围堰、土石围堰、混凝土围堰及钢板桩围堰等。这些传统围堰能满足多数水利工程施工的要求。但是，随着水利工程的发展，水利施工要求不断提高，要求设计新型围堰结构。例如，南水北调中线工程自通水以来，由于长期受到水流、泥沙冲击作用，加之意外事件的发生，渠道衬砌面板可能出现不同程度的破损。为保证沿线地区的用水需求，需要在保证其他衬砌面板完整且干渠水流量不变的情况下对损坏的面板进行维护和修复，这是传统围堰所不能满足的[4]。为此，本文设计了一种自沉式组合钢围堰。

2 自沉式组合钢围堰结构设计

南水北调中线工程环境复杂，本文基于其中某段坡比为1∶2的干渠边坡对自沉式组合钢围堰进行设计研究。图1为围堰整体结构平面图，组合钢围堰整体由顺水流方向的底边围堰、与水流方向呈60°和120°的两个侧边围堰及拐角围堰组成。其中，底边围堰和侧边围堰均由长度为2m的单元围堰组装而成，单元围堰又包括围堰底座、围堰立柱、挡水钢板和支撑杆等。为保证有足够的干地作业空间，围堰入水深度为3m，底边围堰长度为16m。

3 载荷计算及稳定性分析

3.1 载荷计算

在工作状态下，正面围堰和侧面围堰均受到自身重力、支撑力和水流的静止力和动压力。

3.1.1 流速。施工方提供的数据，干渠横断面为上底46m，下底18m，深度7m的等腰梯形，横断面积224㎡。设计最大流量为265m3/s，最大水流速度v1为1.18m/s。安装围堰后，水流横截面发生改变，根据伯努利方程[5]可知：

[P+12ρv2+ρhg=C] （1）

式（1）中，[P]为流体中某点的压强，[v]为流体该点的流速，[ρ]为流体密度，[g]为重力加速度，[h]为该点所在高度，[C]是一个常量。

围堰处横截面积缩小9m2，最大流速增加到[v2]=1.21m/s。

围堰处横截面积缩小后会发生壅水，边坡处水流速度减小为零，即[v3]=0m/s。由伯努利方程可知，发生壅水后压力势能保持不变，速度由[v2]减小为零，则产生壅水高度为：

[Δh=v22-v232g=0.14m] （2）

3.1.2 围堰承受静压力。单位长度承受静压为：

[F=ρ水gL×h22-h21 ]（3）

式中，L为围堰长度。

3.1.3 侧面围堰所受动压为（A为面积）：

[12ρ水v2?A] （4）

3.1.4 围堰总压。正面围堰主要承受静压力，由于流速变化不大，动压力可以忽略。侧面围堰面对水流流速变化较大，承受动压力和静压力两种力，可按式（5）计算：

[h1h2（ρ水ghL+12ρ水v2L）dh] （5）

3.2 底座稳定性分析

围堰底边单元底座受力分为两种情况：第一，底座吊装入水后，除与边坡接触的底面，其余各面均受到水压；第二，围堰组装完成，围堰内部没有水，此时只有围堰外部受到水压[6，7]。

对于第一种情况，围堰底边单元底座受力情况如图5所示，具体分析如下。

①自身重力G。底座是截面为直角梯形，长为2m的柱体（底座上矩形槽和立柱孔对其质量影响甚小，忽略不计）。其中，直角梯形上下底边分别为0.2m和0.4m，高为0.4m，则底座的体积为：

[V=120.2+0.4×0.4×0.24m3] （6）

钢材的密度为[ρ钢]=7 800kg/m3，重力加速度取g=10N/kg。则底座重力为：

[G=ρ钢Vg=18 720N] （7）

②底座侧向水压[FP1]。底座左右两底边受到侧向水压，上底边侧向压力被下底边部分水压相消，即底座侧向水压为底座位于水深3.3～3.5m处水压力：

[FP1=h1h2ρ水gh?l?dh=13 600N] （8）

③底座正向水压力[FP2]。底座上表面与水平面平行，受到水的正向水压力，该表面入水深度[h3]为3.1m，表面面积A=0.4×2=0.8m2，则底座受到正向水压力为：

[FP2=ρ水gh3A=24 800N] （9）

④底座对边坡压力[FN]：

[FN=Fp1sinα+G+FP2cosα=45 231.46N] （10）

式中：[α]为边坡的坡度角。

⑤底座所受边坡摩擦力[Ff]：

[Ff=G+FP2sinα-Fp1cosα=7 334.8N] （11）

则底座与边坡的摩擦系数为：

[f=FfFN=0.16] （12）

此时，在重力和正向水压力作用下，底座有向下滑动的趋势。底座与边坡的接触面为固定于底座的橡胶和边坡的混凝土面板，橡胶与湿混凝土面板间的附着系数为：[φ=0.4～0.6]。

經上述计算可知，所需摩擦系数[f≤φ]，即底座与边坡之间的摩擦力足以保证底座稳定，不会出现下滑现象。

对于第二种情况，围堰底边单元底座受力情况如图6所示，具体分析如下。

底座自身重力不变，即[G=18 720N]；但该情况增加了闸门钢板及立柱的重力，其中闸门重力[G1=11 570N]，立柱的重力[G2=4 630N]。

此外，该情况虽然围堰内侧存在少许渗漏积水，但水深较浅，产生的水压很小，可以忽略不计。因此，只有围堰外部受到水的侧压力，包括底座受到水的侧压力和闸门板受到水的侧压力，其中闸门板入水深度3m以上的水的侧压力被支撑杆抵消掉，故单元底座受到总体侧向水压力为：

[F'P1=h'1h'2ρ水gh?l?dh=32 500N] （13）

由闸门板受到水的侧压力传递至底座，底座受到总体侧向水压力应为0.8[F'P1]。

底座上表面受到水的正向水压力，该表面入水深[h3]=3.1m，但此时只有外侧表面受到水的正压力，受力面积[A']=0.5A=0.5×0.4×2=0.4m2，则底座受到正向水压力为：

[F'P2=ρ水gh3A'=12 400N] （14）

则底座对边坡压力[F'N]：

[F'N=0.6F'P1sinα+G+G1+G1+F'P2cosα=54 220.22N] （15）

底座所受边坡摩擦力[F'f]：

[F'f=G+G1+G1+F'P2sinα-0.6F'P1cosα=2 103.37N] （16）

底座与边坡的摩擦系数为：

[f'=F'fF'N=0.04] （17）

此时，在重力和正向水压力及侧向水压力作用下，底座有向上滑动的趋势。底座与边坡的接触面为固定于底座的橡胶和边坡的混凝土面板，橡胶与湿混凝土面板间的附着系数为：[φ=0.4～0.6]。

经上述计算可知，所需摩擦系数[f'≤φ]，即底座与边坡之间的摩擦力足以保证底座稳定，不会出现上滑现象。

3.3 围堰强度刚度分析

为了保证围堰底座不发生滑动，需要满足以下公式[8-14]：

[Fp1sinα-G+FP2cosα≤Fφ] （18）

式中：[Fp1sinα]为作用在围堰上水的侧压力沿边坡向上的分力；[G+FP2cosα]为单位长度围堰重力及底座上表面受到的正向水压力沿边坡向下的分力；[Fφ]是沿边坡的附着力。

由计算可知，底座下部橡胶和边坡面板之间足以提供较大的摩擦力以满足底座固定要求。

4 结论

本文主要对传统挡水围堰的优缺点进行分析，为设计出自沉式组合钢围堰奠定了基础。对设计的围堰平面结构和三维结构进行简要介绍，对组合围堰在渠道内进行施工作业时所承受的外界压力及稳定性进行理论计算。结果表明，所设计的自沉式组合钢围堰能满足稳定性要求。

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