箱型涵洞包箍结构的优化与改进

一、优化改进背景

在取水、输水、排水工程中，箱涵是较常见的一种建筑物型式，具有从河道取水、连接上下游渠道输送渠水、排泄洪水或涝水等作用。箱涵洞身一般每隔8～15m 一节，节与节之间平接，预留缝宽20mm左右，缝间设止水。由于涵洞地基或节间涵洞上部荷载不均匀等原因，可能导致涵洞节与节之间产生水平位移或不均匀沉降，致使节间缝张大，止水破坏，影响安全。传统的做法一般为约束箱涵节间不均匀沉降等有害变形，分缝处柔性材料包裹、外抹砂浆、外置普通钢筋混凝土矩形包箍等，协调箱涵节与节之间垂直变形。在工程实践中，一些工程因地质和荷载等原因，箱涵产生水平位移，节间缝水平向张大，甚至出现箱涵脱开抱箍底梁，进而止水破坏，对工程安全产生不利影响。为约束箱涵水平位移，对包箍的结构形态进行改进，在包箍底梁增设卡槽，限制箱涵水平位移。

二、主要优化改进内容

为有效限制箱涵分缝水平张开，对传统的箱涵包箍进行改进，具体如图1。

包箍结构包括：底梁、两个侧梁和顶梁。具体如图1所示，箱涵由箱涵顶板、箱涵底板和箱涵侧墙组成，箱涵洞顶上有填土层。

两节箱涵的连接位置形成沉降缝，顶梁安装在沉降缝上方并覆盖沉降缝，底梁安装在沉降缝下方并托乘箱涵，两个侧梁分别安装在沉降缝两侧。底梁、两个侧梁和顶梁构成口字形封闭结构并包覆沉降缝的包箍。

底梁为凹字型结构，箱涵底板的端头为下凸结构并与底梁的凹形结构相契合。如此，箱涵分节位置外置卡槽式钢筋混凝土包箍，利用钢筋混凝土包箍的刚度，形成封闭式包箍的竖向与侧向约束，协调箱涵分缝处的变形，限制箱涵节与节之间的水平与竖向相对位移。

图1 箱涵包箍改造结构图

箱涵外壁与包箍之间预留变形缝，且变形缝中填塞柔性填充材料，满足箱梁结构变形及箱涵与包箍间的变形协调的需要。变形缝宽20mm。箱涵的节与节之间设有止水，包箍包覆在止水外周。

包箍的结构尺寸，顶梁和侧梁为矩形，且矩形的边长为1.0～1.5倍的箱涵底板厚度。底梁下部的矩形结构的宽B为2.4～3.0倍箱涵底板的厚度，高H为1.0～1.5倍箱涵底板的厚度；底梁单侧上部凸起的宽度为b，高度为h，其中，h为50～100mm，b=（B-L1-2×L2）/4，L1为箱涵沉降缝宽，L2为包箍与箱涵外壁间变形缝的宽度。箱涵底板端部向下形成的凸起，其宽为b1，高为h1，h1为50～100mm，b1=（B-L1-2×L2）/4，L1为箱涵沉降缝宽，L2为包箍与箱涵外壁间变形缝的宽度。底梁总宽度为B=2×（b+b1）+2×L2+L1，b=b1，有利于保证包箍对两节箱涵连接位置的束缚力，从而保证箱涵工作的可靠。

三、工程实例

刘拐斗门位于一级堤防长江无为大堤上，主要设计条件：防洪条件长江侧13.22m；排涝水位：内河设计排涝水位6.1m，最低水位5.5m；设计排涝流量1.7m3/s。涵洞布置总长88m，共11节，每节长8.0m。涵洞净宽1.5m，净高1.8m，底坎高程5.0m。涵洞底板、顶板厚均为0.4m，侧墙厚0.4m。涵洞节与节间分缝处设置两层止水，其中表层为明止水。

根据地质资料，涵洞底部地基主要为：1.淤泥质粉质粘土；2.淤泥质粉质壤土；3.粉细砂。其中淤泥质粉质粘土和淤泥质粉质壤土，承载力低、压缩性大，其土层厚度近30m。为解决地基沉降及水平位移问题，对地基采用了刚柔性桩与格构墙组合复合地基综合处理技术进行加固处理。为确保涵洞节间不产生水平位移及不均匀沉陷，在节间分缝位置设置具有三维约束作用的箱型涵洞卡槽式钢筋混凝土包箍，结构尺寸如图2。

图2 卡槽式钢筋混凝土包箍结构图

发生在软土地基上的穿堤箱涵结构缝水平张开较大的问题，主要是由于地基垂直沉降、水平向蠕变及变形不均匀产生的，而在箱涵结构缝处传统使用混凝土抱箍结构，截面型式为矩形，可有效调整结构缝两侧箱涵沉降差，但对箱涵水平向位移无约束作用。现实工程中少数工程深厚软土地基水平向蠕变较大，箱涵结构随地基侧向蠕变而水平位移，出现箱涵与抱箍脱开、结构错位、止水破坏。该工程将卡槽式包箍结构在传统抱箍底梁增设卡槽，优化包箍底梁的截面形式限制箱涵水平位移，并协调相邻涵洞间的沉降变形。刘拐斗门利用卡槽包箍结构在箱涵分节处形成了三维约束，有效控制箱涵沉降缝沿竖向或横向张大而造成的止水破坏，同时箱涵外壁与包箍间的缝，给相邻涵洞的协调变形预留了空间。工程于2015年开始建设，2016年完工。经过4年多的运行，涵洞沉降在30mm以内，工程运行正常，未发现较大沉降及位移，证明处理取得了很好的效果。

四、优化与改进效果

结构改进后的卡槽式包箍结构在传统抱箍底梁增设卡槽，卡槽与缝两侧箱涵底板结构咬合，形成箱涵缝两侧横向约束，实现了箱涵外置包箍由二维约束到三维约束的转变，有效地限制了箱涵分缝水平张开。根据箱涵结构特征及深厚软土地基的变形特点，卡槽式包箍结构充分利用横向强度与刚度，增强了箱涵结构对地基变形的适应能力。这种具有三维约束型卡槽式箱型涵洞钢筋混凝土包箍结构，不仅用于箱涵工程，还可广泛用于泵站、水闸等多种形式的建筑物，具有一定的推广应用价值■