一种组合式钢围堰的设计与分析

2022-03-09务闯李玉东李爽陈高俊

科学技术创新 2022年5期

务闯李玉东李爽陈高俊

（华北水利水电大学，河南郑州 450045）

水利工程往往需要干地作业的施工条件以便于人工或施工机械进入工作，如何保证施工的干地作业条件则需要围堰来完成。钢围堰是一种为保护正常施工安全的临时性的措施，在施工工程中经常被广泛应用，它可以阻挡水、泥、沙、石等对施工作业带来的干扰。钢围堰是施工作业安全性保证，所以在工程作业中，钢围堰是需要重点控制的环节。由于施工中面临着多种不同的复杂条件，不同的施工环境会对钢围堰提出不同的施工要求，因此需要有针对性的设计围堰以满足不同的施工需求[1]。

南水北调工程不同于一般的水利工程。其输送水源是生活饮用水，施工中对水源的保护要求较高，必须保证不会污染水源，而普通水利工程中广泛使用的土石结构围堰，由于其污染严重、施工量大、会破坏渠坡等问题，在施工中则不予考虑[2]。通过对南水北调中线干渠边坡损坏情况的调研表明，中线干渠边坡在不间断供水3 年以后，常出现不同程度的损坏问题，主要包括局部衬砌面板隆起、部分衬砌面板塌陷，衬砌面板连续破碎或滑坡(部分渠道连续损坏超百米)等。中线干渠需要修复的边坡已达上百处。

这些衬砌面板损坏的区域有所不同，有的损坏发生在水面线下深度1-2 米处，部分发生在3-4 米以内，甚至有部分边坡损坏位置更深。发生损坏的干渠边坡系数包括1：2.0，1：2.5 和1：3.0 等多种。在确定设计方案时，需要设计一种可以满足不同边坡长度、不同入水深度和不同边坡系数施工需求的大型挡水设施。

1 组合式围堰设计计算

经过大量调研发现，德国和奥地利等国家均使用过钢结构防洪墙以抵御洪水。现借鉴其组合式结构，设计一种适用于渠道边坡用修复作业的自沉式组合钢围堰，该设计改变了其打孔固定在地面的安装形式，将主体结构装配在自沉式底座上，使其可以在渠道不断流的情况下，实现不损坏边坡部位的干地作业，该设计可以使用到衬砌面板的损坏修复上，解决南水北调中线工程渠坡衬板损坏所带来的安全隐患[3-5]。

根据所设计结构的性质以及调研结果，确定采用立柱加挡水板的挡水结构，立柱和挡水板安装在具有足够质量的底座上，底座依靠自身重力作用可在边坡上保持稳定，立柱后方增加支撑杆系，以保证立柱和挡水板在受到不同外部水压时保持系统稳定性。立柱+挡水板+底座+支撑杆系组成单元围堰，单元围堰连接起来得到不同长度的组合式挡水围堰,为保证结构的整体稳定性，在边坡上添加反力箱结构，并内置配重。

单元围堰基本形状如图1 所示，组装围堰如图2 所示。

图1 单元围堰概念图

图2 组装围堰概念图

该组装围堰在工作状态下，底边围堰和侧边围堰均受到自身重力、支撑杆支撑力、边坡摩擦力以及干渠渠道水流的静压力和动压力。在进行计算时，首先确定水压和摩擦力的大小，然后根据平衡条件去优化构建质量和支撑结构，实现结构稳定。

1.1 围堰水压计算

1.1.1 流速变化确定

根据实地调研数据，干渠横断面为上底46m，下底18m，深度7m 的等腰梯形，横断面面积为224m3。设计最大流量为265m3/s；由计算可知，该段干渠的最大水流速度v1=265/224=1.18 m/s。安装围堰后，水流横截面发生改变，根据伯努利方程

当沉入围堰后，围堰处干渠横截面积会缩小9m2，此时最大流速会增加到v2=1.21m/s。

1.1.2 壅水高度确定

围堰处干渠横截面积缩小后会发生壅水，此时边坡处水流速度减小为零，即v3=0m/s。由伯努利方程，发生壅水后压力势能保持不变，速度由v2=1.21m/s 减小为零。计算可得出产生壅水的高度为：

1.1.3.1 底边围堰和水流方向相同，与表面垂直方向的流速为零，因而只需要考虑静压力。根据（3）可知，单位长度围堰承受的总静压力为：10000h2N/m (即每米围堰在深度1 米时受力为10000N,2 米时为40000N,3 米时为90000N，随着深度增加侧压力迅速增大)。

1.1.3.2 侧面围堰面不仅受到静压作用，由于表面面对水流方向，还会受到动压作用，可按（5）计算：

1.2 重力计算

按照初始设计，单位围堰质量为3420KG，单位围堰长度为2 米，则组合式围堰单位长度的重力初设定为17100N/m（取g=10m/s2）。

1.3 底部摩擦力计算

围堰和边坡之间的摩擦力可按照下式计算：

式中，G 是围堰重力。α 是边坡的角度，f 是底座、支撑杆和边坡之间的摩擦系数。

已知单位长度的围堰重力为17100N,cos（α）=8/9。在干地状态下，f 取0.8-0.9（本次取0.8），在平整良好的湿润坡面上，f 取0.4-0.5（本次取0.4）。在布满淤泥和苔癣的坡面上，f取0.10-0.15（本次取0.10）。

对以上取值分别展开计算，可得不同条件下单位长度的摩擦力分别为：12160N，6080N，1520N。

2 组合式围堰位置稳定分析

组合围堰在边坡上的稳定主要通过自身重力、边坡与围堰底部间的摩擦力、水压力等实现平衡获得。本文针对以下三种情况估算自沉式围堰放置在边坡上的稳定性：

（1）围堰底座放置于干燥的边坡上，尚未入水时，围堰不承受水压，底座与干燥边坡接触；

（2）底座和全部围堰进入水中，但尚未抽水形成作业区时，内外侧水压平衡，底座与水下边坡接触；

（3）正常作业时，围堰中水被抽干，此时围堰外侧承受水压，内侧没有水压，底座与水下边坡接触。

2.1 第一种情况

2.2 第二种情况

围堰底边单元底座受力情况如图3 所示。具体分析如图3。

图3 双向水压围堰底边单元底座受力图

2.2.1 自身重力G 计算：

底座是截面为直角梯形，长为2 米的柱体（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0.2 米和0.4 米，高为0.4 米，则底座的体积为：

钢材的密度为7800kg/m3，重力加速度取g=10N/kg。则底座重力为：

2.2.2 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3.3～3.5米处水压力：

2.2.3 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，该表面入水深度为h3=3.1m，表面面积为A=0.4×2=0.8m2。则底座受到正向水压力为：

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。

2.2.4.1 在边坡面板干净平整时

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，所需摩擦系数小于附着系数，可以保证底座稳定，不出现下滑现象。

2.2.4.2 在边坡面板有大量淤泥和苔藓时

附着系数为：0.10-0.15，小于所需摩擦系数0.16，需要采用拉索等物保持围堰不滑入水中。全部围堰所需拉力为：

2.3 第三种情况

对于第三种情况，单位底边围堰受力情况如图4 所示。

图4 单侧向水压围堰底边单元底座受力图

单位长度围堰重力沿边坡分力为：17100*4/9=7600N,单位长度水压力沿边坡分力为：90000*8/9=80000N, 支撑杆受到的垂直于边坡的压力为：186800N,在良好摩擦时，单位围堰长度所受附着力为：Ff=（186800）*f+17100*f*8/9,机构稳定条件为：水压力（80000）≦重力+摩擦力:

2.3.1 在良好摩擦条件下，f=0.4 则摩擦力=81560N,重力分力=7600N, 重力分力+ 摩擦力=89160N ≥水压力（80000N）因此可以保证系统的稳定性。

2.3.2 在极限不良摩擦条件，f=0.10 则摩擦力=25500N，重力分力+摩擦力=33100N≦水压力（80000N）系统无法实现稳定。通过在干地区域增加围堰重量保证系统不失稳。所需平衡的压力为：（80000-33100）*16=750400N。

干地区域的向下分力为：G*sin(a)+f(附着)=560000N；干地区域增加围堰重量为：56000KG，在两侧向围堰顶部分别布置28000KG 左右的重物即可保证最为极限不良摩擦情况的稳定性。