胸墻在水閘閘室結(jié)構(gòu)中的“扁擔(dān)效應(yīng)”

田晉生 甄 峰

（江蘇省水利工程科技咨詢有限公司，江蘇南京 210000）

1 概述

水閘是控制水位與調(diào)節(jié)流量的低水頭水工建筑物，主體是閘室段，其構(gòu)造形式主要取決于泄放水流的方式以及閘門的構(gòu)造和操作方式。按照水閘的泄流特點(diǎn)，閘室段有開敞式、胸墻式、涵洞式、雙層式結(jié)構(gòu)，根據(jù)擋水、泄水條件和運(yùn)行要求，結(jié)合考慮地形、地質(zhì)等因素，合理選擇閘室結(jié)構(gòu)是水閘設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，應(yīng)力求做到結(jié)構(gòu)可靠、布置緊湊、施工方便、運(yùn)用靈活，同時(shí)做到經(jīng)濟(jì)美觀。

當(dāng)水閘的閘檻高度較低，擋水高度較大，需要泄放或取用底層水流時(shí)，常用胸墻式水閘，例如沿海、沿江的擋潮閘和一些送水河道上的送水閘常采用該種閘室布置。胸墻式水閘一般由閘底板、閘墩、胸墻、閘門、工作橋、交通橋等結(jié)構(gòu)組成。閘室設(shè)置胸墻擋水，底部設(shè)置孔口泄水，可以減少閘門尺寸，利于下游沖淤保港，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。平原河網(wǎng)地區(qū)的節(jié)制閘有時(shí)為了限制過閘最大單寬流量，防止下游產(chǎn)生局部沖刷，亦采用這種類型的閘室。

2 胸墻的“扁擔(dān)效應(yīng)”

胸墻的主要作用是減少閘門高度，從而減輕閘門重量和啟閉機(jī)啟門力，胸墻在閘室中的位置取決于閘門的型式和閘室的穩(wěn)定性。當(dāng)采用弧形鋼閘門時(shí)，胸墻應(yīng)布置在靠上游一側(cè)，以使閘室有足夠的位置布置閘門。當(dāng)采用平面鋼閘門時(shí)，胸墻一般布置在略偏下游一側(cè)，利用胸墻和閘門前的水重增加閘室的抗滑穩(wěn)定性。擋水高度不大的小孔徑水閘，胸墻可做成實(shí)心板式結(jié)構(gòu)，擋水高度與孔徑較大的水閘則多數(shù)采用墻板、頂梁與底梁組成的肋板式胸墻。

閘室上部結(jié)構(gòu)與閘墩的連接方式要與閘室的構(gòu)造要求相配合。江蘇省早期建造的水閘，無論閘室底板采用分離式、反拱式還是整體式，一般情況下，胸墻等上部結(jié)構(gòu)均采用簡支方式，因?yàn)楹喼ЫY(jié)構(gòu)受力比較明確，計(jì)算相對簡單，適應(yīng)變形能力好，施工方便。當(dāng)?shù)鼗^為軟弱，壓縮性較大，可能出現(xiàn)不均勻沉陷的情況下，則宜采用鉸支或固支，利用上部結(jié)構(gòu)的剛度增加閘室的橫向剛度，以防止產(chǎn)生過大的變形。隨著我國綜合國力的增強(qiáng)，胸墻式水閘閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用胸墻與閘墩中的“扁擔(dān)效應(yīng)”的近似計(jì)算方法。

彈性地基梁假定計(jì)算水閘底板內(nèi)力，是以閘門、胸墻分界在垂直水流方向截取上、下游兩條板帶進(jìn)行計(jì)算，為了計(jì)算胸墻的豎向內(nèi)力即“扁擔(dān)效應(yīng)”，也可以沿閘室胸墻兩側(cè)截取一定寬度的板帶作為脫離體，將胸墻視作框架的頂板，按彈性地基上的框架計(jì)算閘室胸墻段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。首先，按常規(guī)計(jì)算方法，確定脫離體兩側(cè)的不平衡剪力以及脫離體段總不平衡剪力，脫離體總不平衡剪力由閘墩和底板共同承擔(dān)，閘墩和底板承擔(dān)的數(shù)值根據(jù)剪應(yīng)力分布圖形確定，計(jì)算時(shí)須繪制剪應(yīng)力分布圖，據(jù)此計(jì)算閘墩與底板之間的剪力分配比例，按分配比例進(jìn)行總不平衡剪力分配。一般情況下，閘底板分擔(dān)不平衡剪力約10%~15%，閘墩分擔(dān)約85%~90%。不平衡剪力分配確定之后，即可按一般計(jì)算方法，分別確定框架結(jié)構(gòu)各部位固支連接的趨勢。此時(shí)胸墻的設(shè)計(jì)必須充分考慮胸墻在閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算中豎向的“扁擔(dān)效應(yīng)”以及溫度影響產(chǎn)生的次內(nèi)力。

3 胸墻內(nèi)力計(jì)算方法

在水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般按二維平面問題進(jìn)行計(jì)算，即根據(jù)確定的閘室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其分解為各自獨(dú)立的構(gòu)件，分別計(jì)算內(nèi)力并配筋。在采用彈性地基梁計(jì)算水閘底板內(nèi)力時(shí)，往往也是在垂直水流方向截取有代表性的若干板帶進(jìn)行計(jì)算，以垂直水流方向的地基反力作為待求數(shù)值，水閘閘墩及上部結(jié)構(gòu)的重量通過閘墩傳至底板，可作為水閘底板的外荷載看待，無論胸墻與閘墩的連接方式如何，一般不考慮胸墻以及上部結(jié)構(gòu)與閘墩的連接作用，胸墻內(nèi)力也僅僅是由水壓力、浪壓力的大小計(jì)算確定。

胸墻式水閘存在工程建設(shè)完成數(shù)年后，隨著地基土壤的固結(jié)、閘室結(jié)構(gòu)的變形，會(huì)出現(xiàn)使胸墻開裂的情況，有些胸墻開裂甚至比較嚴(yán)重。當(dāng)胸墻與閘墩固結(jié)連接，據(jù)類似工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可對胸墻式閘室結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型進(jìn)行簡化，為此提出了考慮胸墻在閘室中的作用荷載，并繪制計(jì)算模型后計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。水閘閘室連續(xù)胸墻結(jié)構(gòu)豎向跨高比（跨度/高度）一般為l0/h＜0.5，按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，胸墻應(yīng)按深受彎構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算，并按深彎構(gòu)件構(gòu)造要求布置鋼筋，最后還應(yīng)按梁板結(jié)構(gòu)核算配筋是否滿足水壓力、浪壓力作用下水平向限的承載力要求。

采用上述計(jì)算方法，主要需要確定脫離體寬度、框架計(jì)算高度以及胸墻作為框架頂板的剛度。為此作如下假定：（1）首先計(jì)算胸墻的豎向形心位置，以胸墻形心位置至底板中心的距離作為框架的計(jì)算高度，胸墻形心至閘墩頂之間的外部荷載，應(yīng)根據(jù)等效原則轉(zhuǎn)換成水平力、力矩作用在框架上部節(jié)點(diǎn)上；（2）參照《船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》6.1.21規(guī)定，近似取胸墻形心至底板頂面高度y的2/3y為脫離體的寬度；（3）計(jì)算胸墻豎向慣性矩，將豎向慣性矩平均分配在2/3y寬度范圍，作為單位寬度框架的頂板計(jì)算剛度（見圖1）。按照上述計(jì)算假定，取胸墻段單位寬度確定計(jì)算模型，依此計(jì)算閘室胸墻段結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

4 計(jì)算實(shí)例

4.1 框架內(nèi)力計(jì)算

某胸墻式水閘，閘址地貌類型屬長江新三角洲平原區(qū)，地面高程2.3~3.0 m。場地區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)蘇北拗陷的次一級海安凹陷區(qū)，勘探揭示深度范圍內(nèi)地層均為第四系全新統(tǒng)長江沖積層（Q4a1），閘底板下持力層為灰色中、輕粉質(zhì)軟壤土夾砂壤土、粉砂或?yàn)榛?，具有水平層理。該層上部以淤泥質(zhì)壤土為主，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)一般為3~5擊，下部砂性逐漸增大，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)一般為6~14擊，層厚5~12 m，壓縮模量Es=9.5 MPa，地基容許承載力［R］=80 kPa（DJ2）。下臥層為灰、青灰色細(xì)砂、極細(xì)砂，夾中、輕粉質(zhì)壤土，稍密~中密狀態(tài)，局部松散，含云母片，夾黃灰色淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土薄層，一般厚度6 m左右，局部厚10~11 m，壓縮模量Es=18.0 MPa，地基容許承載力［R］=130 kPa（DJ3）。

該閘單孔凈孔徑5.50 m，計(jì)3孔，底板面高程-2.0 m，厚度1.1 m，閘頂高程6.0 m，胸墻頂高程同閘頂高程，底高程為3.0 m，兩端與閘墩固結(jié)。胸墻為梁、板式結(jié)構(gòu)，面板厚0.25 m，中梁高度 0.55 m（橫向），寬0.3 m（縱向），底梁高度 0.7 m，寬 0.4 m。水閘中墩厚1.2 m，兩側(cè)邊墩為變截面，墩頂厚0.8 m，下部墩厚1.4 m，采用整體式底板，三孔一聯(lián)，不設(shè)岸墻，兩側(cè)邊墩直接擋土。

圖1 胸墻段單位寬度計(jì)算模型圖

閘底板四周采用雙排Φ60 cm水泥攪拌樁套打圍封，閘基采用Φ60 cm水泥攪拌樁處理，間距1.1 m×1.2 m，圍封、承載水泥攪拌樁樁長均為6.0 m。樁基置換率約為αe=0.214，水泥攪拌樁壓縮模量：

Es=（100 ～120）fcu=100 ×120=120000 kPa

樁、土壓縮模量：

Es=33000 kPa（DJ1）

框架內(nèi)力計(jì)算采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所編制的《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)》（AutoBANK V5.6）程序中梁系結(jié)構(gòu)，分別按完建、擋水兩種工況計(jì)算，計(jì)算中荷載沒有計(jì)入分項(xiàng)系數(shù)的影響，計(jì)算模型見圖2。

經(jīng)計(jì)算，兩種工況下胸墻彎矩圖基本形態(tài)相同，均表現(xiàn)為兩側(cè)邊孔臨邊墩處下部受彎，臨中墩處上部受彎，中孔則上部受彎。以完建工況為例（完建工況彎矩、剪力圖見圖3），胸墻承擔(dān)脫離體4.5 m寬度的頂板彎矩。

邊孔胸墻下部最大彎矩：

Mmax=341×4.5=1534.5 kN·m

邊孔胸墻上部最大彎矩：

Mmax=437×4.5=1966.5 kN·m

中孔胸墻上部最大彎矩：

Mmax=86.8×4.5=390.6 kN·m

胸墻上部最大剪力：

Qmax=130×4.5=585 kN

4.2 胸墻配筋復(fù)核

該閘胸墻截面為倒“F”型，高度為3.0 m，面板厚0.25 m，混凝土強(qiáng)度等級C20，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=9.6 N/mm2，ft=1.1 N/mm2。鋼筋采用Ⅱ級鋼，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：

fy=fy′=300 N/mm2

按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008），深受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力應(yīng)符合下列規(guī)定：

KM≤fyAsZ式中：

Z=αd（h0-0.5x）

現(xiàn)以胸墻下部鋼筋計(jì)算為例：

（1）計(jì)算截面有效高度h0

l0/h=6.70/3.0=2.23

αs≈0.1h=300 mm

h0=3000-300=2700 mm

（2）驗(yàn)算胸墻截面尺寸要求

hw=2700 mm，

KM=1.35×585×1000

截面尺寸滿足要求。

（3）計(jì)算內(nèi)力臂系數(shù)αd

αd=0.8+0.04×l0/h=0.8+2.23=0.89

（4）計(jì)算截面受壓區(qū)高度

按單筋矩形截面簡化計(jì)算，As′=0

圖2 計(jì)算模型圖

胸墻剪力圖（完建）

圖3 完建工況剪力、彎矩圖

（5）計(jì)算橫向受拉鋼筋

按深梁配筋構(gòu)造要求，深彎梁的下部縱向收拉鋼筋應(yīng)均勻地布置在下緣以上0.2 h范圍內(nèi)；2.5≥l0/h=2.23≥1.5，按構(gòu)造要求，深彎梁上部鋼筋應(yīng)按0.4 h范圍配2As/3，其下0.4 h范圍配2As/3。該閘胸墻下部0.2 h范圍內(nèi)實(shí)配鋼筋11Φ20+2Φ14，As=3454+3762 mm2，滿足要求；胸墻頂部向下0.4 h范圍實(shí)配鋼筋6Φ20+3Φ18+8Φ14，As=3878 mm2，其下 0.4 h 范圍實(shí)配 12Φ14，As=1846 m2，經(jīng)計(jì)算，胸墻上部鋼筋、構(gòu)造也滿足上述規(guī)范要求，但該閘胸墻立面采用倒“F”型布置，設(shè)計(jì)時(shí)未考慮胸墻的“扁擔(dān)效應(yīng)”，鋼筋布置不盡合理。按使用階段極限狀態(tài)計(jì)算，胸墻邊孔下邊角、上邊角及中孔中間裂縫寬度分別為 δ邊下=0.231 mm，δ邊上=0.263 mm，δ中上=0.060 mm。該閘裂縫修補(bǔ)的部位與計(jì)算裂縫位置一致，筆者采用的基本假定和計(jì)算方法，結(jié)果與實(shí)際狀況比較吻合。

5 結(jié)論

按照上述假設(shè)、計(jì)算方法，通過對現(xiàn)有建筑物的胸墻結(jié)構(gòu)分析計(jì)算可知，當(dāng)胸墻與閘墩固結(jié)時(shí)，連同閘室胸墻段其他結(jié)構(gòu)的共同作用，由于胸墻豎向剛度相對較大，在外部荷載及結(jié)構(gòu)自重的作用下，必然產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。根據(jù)計(jì)算模型，通過對外部荷載逐次加載分析，對胸墻內(nèi)力影響較大的外部荷載依次是作用在邊墩上的水平荷載和作用在閘室兩側(cè)的邊荷載。為了改善胸墻受力條件，當(dāng)兩側(cè)邊墩擋土高度較大時(shí)，可以在閘室邊墩兩側(cè)設(shè)置空箱岸墻，以抵消閘室兩側(cè)邊墩上的水、土壓力，降低邊荷載強(qiáng)度，是降低胸墻內(nèi)力的有效措施。胸墻立面梁板結(jié)構(gòu)布置也應(yīng)充分考慮胸墻的“扁擔(dān)效應(yīng)”，以有利于按構(gòu)造要求布置鋼筋。當(dāng)閘室凈寬大于或等于8.0 m時(shí)，胸墻是采用固支還是簡支即“抗”與“放”，應(yīng)通過計(jì)算分析比較確定。

閘室中胸墻的位置一般在閘室偏中間部位，位于工作橋的下方，低水位情況下，胸墻頂部處于自然環(huán)境中，下部則可能浸入水面以下，常年受氣溫、水溫的變化影響和太陽的照射，會(huì)導(dǎo)致縱向產(chǎn)生位移。當(dāng)胸墻與閘墩固結(jié)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫度次內(nèi)力。當(dāng)跨徑大于或等于8.0 m時(shí)，建議考慮溫度作用對胸墻內(nèi)力的影響。

采用上述方法也可對其他類型水工建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，例如：立式泵站的進(jìn)水流道段，臥式泵站的進(jìn)、出流道段，這兩種類型泵站結(jié)構(gòu)的上述部位，均為下部是箱涵結(jié)構(gòu)（流道），上部為站身胸墻以及隔水墻，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也是胸墻、隔水墻豎向剛度大。筆者曾采用該方法對涵洞工程上、下洞首進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，并按深受彎構(gòu)件對箱涵上部槽壁進(jìn)行配筋，通過20多年的運(yùn)行，經(jīng)檢驗(yàn)，涵洞箱涵槽壁未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象。實(shí)踐證明，采用筆者介紹的計(jì)算方法可以較好地解決水利工程界常說的結(jié)構(gòu)“挑扁擔(dān)”的問題。