双绞底板在水利水电大跨度建筑物中的应用研究

常根朋

（南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210000）

1 引言

水利水电工程建筑物——串场河防洪闸位于盐城市串场河上，串场河为盐城市一条天然河道，河口宽约30 m，河底高程为-2.10 m，为盐城市主要航道，串场河防洪闸在满足防洪排涝要求的同时还需满足通航要求，参考水利水电、航道设计规范及串场河上其他建筑物，确定闸孔净宽24.0 m，在该地区属大跨度防洪闸，采用双绞底板。

2 工程实例

串场河防洪闸工程位于串场河与三墩港交汇处的下游约200 m串场河上，所跨河道为Ⅴ级航道。串场河防洪闸为开敞分离式结构，闸室顺水流向长19.0 m，垂直水流向宽15.5 m，通航孔净宽24.0 m，闸上布置公路桥1座，闸底板面高程为-2.5 m、底高程为-4.5 m，闸墩顶高程为4.3 m。两侧墩墙结合液压启闭机布置采用空箱结构，液压启闭机平台高程3.3 m。公路等级为三级，汽车荷载为公路-Ⅱ级。基础采用Φ50预应力混凝土管桩，桩低高程-18.0 m。

图1 水闸剖、立面图

3 底板结构型式比选

在水利水电工程中，水闸占有重要的地位，有防洪闸、节制闸、分水闸、挡潮闸等等，闸室是一个非常重要的部位，也是影响整个工程的主要因素，为取得最佳结构形式，设计上对底板形式进行了比选：一是整体式平底板；二是分离式底板，又分为块基型底板和双铰型底板。这3种型式通航孔均为净宽24 m。比较如下：

（1）整体式平底板结构：闸室与两侧空箱共用一块整底板，虽然整体性较好，但由于中跨为净24 m闸室，跨度较大，总跨长57 m，中跨底板至少需要3.0 m厚，用钢量高，结构较重，加大了地基处理的工程量，因而土建造价也最高。

（2）块基型底板结构：此结构采用3块互不传力的底板，底板可以采用不同厚度，便于分别进行地基处理。但是中间底板在检修期不能满足抗浮要求，需加厚底板到3.0 m，加大了混凝土量，还加大了基坑开挖土方和地基处理工程量；或者采用抗拔桩处理通航孔底板，但底板下淤泥层较厚，抗拔桩较长，并不经济。

（3）双铰底板结构：此结构采用3块底板，在底板之间采用铰接，使3块底板传力不传矩，并在铰接处设止水形成不透水的分离式结构。对两侧空箱抗滑和中底板抗浮抗渗都有利，可以降低地基处理工程量，还可以调整3块底板下地基反力，使其分布尽量均匀，以减少地基不均匀沉降；缺点是中跨底板受力复杂。但这种型式地基处理和混凝土工程量都最小，结构轻，也最经济。

水利水电工程主要从安全稳定、适用经济、施工方便等因素综合考虑，本防洪闸采用双铰底板结构。

4 水利水电工程中对双绞底板的研究分析

4.1 稳定方面研究分析

本次对水利水电大跨度防洪闸块基型底板和双绞型底板的稳定分别进行计算，通过量化来说明双绞底板的优点，本次仅对垂直水流向进行计算。

（1）块基型底板计算公式[2]

∑G—作用于空箱基础底面的全部竖向荷载（kN）；

A—空箱基底面的面积（m2）；

∑M—作用于空箱基础底面以上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面顺水流向的形心轴的力矩（kN·m）；

W—空箱基础底面对于该底面顺水流向的形心轴的截面矩（m3）。

根据上述公式计算得：Pmax=160.9 kPa，Pmin=70.2 kPa，P平均=115.55 kPa。

（2）双绞型底板计算公式[1]

双铰结构，地基反力按折线分布假定，按静力平衡条件求解。折线法是假定地基反力在整个基底上连续，且为折线分布；在铰接处只传递水平力和垂直力，不传递弯矩。地基应力按下列公式计算：

式中：σ1——空箱前趾地基反力（kN/m2）；

∑V——作用于空箱上的垂直力总和（kN）；

q——作用于底板上的均布荷载（kN/m2）；

L——空箱底宽度与中底板半宽之和（m）；

b——空箱底宽度（m）；

σ2——空箱后趾与前趾的地基反力之差（kN/m2）；

∑M——作用于空箱段上所有荷载对铰点的力矩和（kN·m）；

a——中底板半宽（m）。

根据上述公式计算得：

σ1=84.30 kPa，σ2=21.78 kPa，

则：Pmax=σ1+σ2=106.08 kPa，Pmin=σ1=84.30 kPa，P平均=95.19 kPa。

（3）双绞底板在稳定方面的研究分析

块基型计算空箱段地基反力平均值为115.55 kPa，双绞型计算空箱段地基反力平均值为95.19 kPa，两者相差20.36 kPa，根据底板尺寸，空箱段共减少竖向重力5 996.02 kN。

防洪闸底板位于淤泥层，地基承载力仅为60 kPa，本次采用管桩基础，根据桩基计算空箱底板下共计布置130根Φ50预应力混凝土管桩，采用双绞底板单桩可减少承载力46.12 kN，单桩可减少长度2.44 m，总计减少317.4 m，根据管桩单价205元/m，单侧空箱可减少投资6.5万元，双侧共计节省13.0万元。

通过上述计算，块基型底板在垂直水流向重心偏通航孔侧，偏心距为1.15 m，双绞型底板垂直水流向重心偏空箱侧，底板受力更合理。

检修工况取上下游水位1.0 m计算，两侧空箱分别向通航孔底板传力5 213.4 kN，共计施加压力10 426.8 kN；通航孔底板厚度仅为2.0 m，内外水位差为5.5 m，不能满足抗浮要求，需要加重1 900 kN，正常情况下可以通过加厚底板或者采用抗拔桩处理，本次采用双绞底板弥补了检修期通航孔底板抗浮问题，设计上可对底板不做加重或抗拔处理，为安全起见，串场河防洪闸仍采用了管桩处理。

4.2 内力方面研究分析

对于内力方面的研究分析，本次仍然采用常用的块基型底板和双绞型底板进行比较。

（1）模型建立

本次对结构内力计算采用河海大学水利水电工程设计软件“autobank7.7”软件，顶板、底板及墩墙采用软件内梁单元，土层采用弹性材料模拟[4]。

建立模型如图2所示（以双绞底板为例）：

图2 模型建立及网格划分（单位：kN、kPa）

（2）成果对比

模型计算弯矩成果如图3、图4所示。

图3 双绞底板弯矩图（单位：kN·m）

图4 块基型底板弯矩图（单位：kN·m）

根据软件输出弯矩图，统计弯矩见表1：

表1 各位置弯矩统计表 单位：kN·m

（3）双绞底板在内力方面的研究分析

根据上述计算成果可以看出，块基型底板结构，通航孔底板承受弯矩小，而双绞底板弯矩相对较大，而边孔出现相反情况，块基型底板弯矩大，双绞底板弯矩小，边中孔由于上方墩墙承受较大交通桥荷载故而弯矩均较大。

通过分析，笔者认为这是双绞在结构内力分布上起到的调节作用。前面计算可知通航孔底板是不能靠自身满足检修期抗浮要求的，故而通航孔底板一般均较厚，本次通航孔底板（2.0 m厚）相对空箱底板（1.2 m厚）要厚0.8 m，有能力承担更大的弯矩，并根据配筋计算，可知通航孔底板在两种底板结构型式下，由弯矩计算的配筋率均小于最小配筋率，由此可知双绞底板虽然增加了通航孔底板的弯矩，但是未增加配筋量，未造成投资的增加，而对于边孔弯矩的减少，也同时降低了底板配筋率，减少了工程投资，减小了底板裂缝宽度，结构也更加安全[3]。

4.3 沉降变形研究分析

本次对结构沉降变形的研究分析主要通过查看空箱底板与通航孔底板分缝处变形情况，以更好的判断底板止水工作情况。

通过软件计算，可输出分缝处变形情况，见图5、图 6：

图5 双绞底板绞接处

图6 块基型底板分缝处

通过图5、图6可知，双绞底板在分缝处沉降变形是连续的，不间断的；而块基型底板在分缝处变形是不连续的，间断的。

设计上在分缝处均需要设置水平止水，以满足渗径长度和闸室检修需要，图5中双绞底板沉降连续，两侧沉降差不大，加上绞接的保护，水平止水不会承受较大内力，安全系数高；而图6块基型底板分缝处两侧底板沉降差大，出现了断崖式间断，无其他保护措施，水平止水降承受较大内力，极易撕裂漏水。由此可见双绞底板在分缝处变形良好。

5 结论及建议

本文通过对大跨度水闸两种底板结构的对比研究，详细介绍了双绞底板在水利水电工程中的应用优势，串场河防洪闸工程实施后，经第三方检测单位检测，分缝处沉降差小，底板无漏水情况，工程运行良好。

双绞底板在水利水电建筑物工程中的应用案例较少，笔者通过实际工程对双绞底板的计算、研究，认为在结构模型计算上尚不能更好的模拟工程实际情况，并且桩基对闸室的影响也是一个深远的课题，希望有学者在这几方面有更深入的研究。