基于進(jìn)度優(yōu)化的興隆樞紐擋土墻結(jié)構(gòu)調(diào)整方案

吳云飛，郭紅亮

(1.中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066;2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，武漢，430010)

1 概述

興隆水利樞紐位于漢江下游湖北省潛江、天門市境內(nèi)，是南水北調(diào)中線漢江中下游四項治理工程之一，同時也是漢江梯級開發(fā)的最下一級。工程樞紐由泄水閘、船閘、電站廠房及兩側(cè)灘地上的連接交通橋等主要建筑物組成，開發(fā)任務(wù)以灌溉和航運為主兼顧發(fā)電。

泄水閘布置在主河槽和左岸低漫灘，其右側(cè)緊鄰布置電站廠房。泄水閘段總寬991m，其中閘室段總寬953m，共56個閘孔，單孔凈寬14m;閘室段左右兩端各設(shè)有一個門庫，寬19m;閘室底板順流向長度25m。閘室上游進(jìn)水渠設(shè)有防滲鋪蓋、混凝土板護底及拋石防沖槽，總長85m;閘室下游出水渠則為消力池、混凝土海漫和拋石防沖槽，總長125m。電站廠房段總寬112m，主廠房段建基面高程為10.2m～12.8m，低于門庫和閘室建基面約12m～15m。電站進(jìn)水口前的進(jìn)水渠水平段長5m，寬80m，高程為14.7m;往上游以1∶4.5坡度抬高至27m高程，同時向左右兩側(cè)分別以18.9°和18°角度擴散形成喇叭口。尾水渠在尾水管出口后水平段長5m，寬80m，高程為17.3m;往下游以1∶10坡度抬高至25.5m高程，同時向左右兩側(cè)分別以12°和9.3°角度擴散形成喇叭口。

興隆樞紐地層上部為深厚粉細(xì)砂，平均厚度約20m，其下為砂礫石層。

電站廠房與相接泄洪閘處施工安排為:電站廠房建基面高程低，最先放坡開挖廠房基坑，開挖坡比1:3，開挖范圍涉及泄水閘最右側(cè)兩個閘室、門庫、“L”形導(dǎo)墻、擋土墻等部位;電站廠房地基處理及下部混凝土澆筑;擋土墻混凝土澆筑;在廠房邊墻和擋土墻混凝土上升高度超出門庫、閘室、“L”形導(dǎo)墻等部位建基面后，進(jìn)行上述部位的粉細(xì)砂回填和水泥土攪拌樁地基處理。之后各部分施工相對獨立。

2 擋土墻布置及結(jié)構(gòu)

2.1 上游擋土墻

上游擋土墻平面布置呈現(xiàn)上窄下寬的鍥形，上接電站上游防沖槽，寬2m;下接“L”形導(dǎo)墻和廠房結(jié)構(gòu)輪廓，寬21m;左側(cè)與導(dǎo)墻過流面平齊，右側(cè)為電站進(jìn)水渠喇叭口輪廓線。擋土墻順流向水平長60.35m。下游建基面有長5m的水平段，其他建基面與電站進(jìn)水渠相同，坡度為1∶4.5。

擋土墻采用薄壁空箱式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，分為三段，結(jié)構(gòu)①②段水平長20m，結(jié)構(gòu)③段水平長20.35m。擋土墻①承受泄水閘和“L”形導(dǎo)墻兩側(cè)土作用，泄水閘側(cè)最大擋土高度約13m，導(dǎo)墻側(cè)擋土高度約11m;擋土墻②段最大擋土高度約7m;擋土墻③擋土高度小，但其承擔(dān)攔漂排墩荷載，為實體結(jié)構(gòu)。

①段空箱結(jié)構(gòu)底板厚1.5m，擋土兩側(cè)墻厚1m，另兩側(cè)墻厚0.6m;空箱內(nèi)中間設(shè)橫向隔墻一道，隔墻厚度0.4m?？障漤敯甯叱?8m，厚0.25m。②段空箱結(jié)構(gòu)底板厚1m，四周墻厚0.6m，其他與①段相同。空箱內(nèi)充填粉細(xì)砂高程為23.7m，表面為10cm厚素混凝土保護。①②段空箱結(jié)構(gòu)底板、頂板、四周墻體及橫向隔墻，均雙面配有結(jié)構(gòu)受力和構(gòu)造鋼筋。墻頂導(dǎo)墻布置在泄水閘一側(cè)，為懸臂式結(jié)構(gòu)，頂高程37m，頂部厚度1m。

擋土墻平面布置和縱剖面見圖1和圖2，①段結(jié)構(gòu)橫剖面見圖3。

圖1上游擋土墻平面布置(單位:m)

圖2上游擋土墻縱剖面(單位:m)

圖3上游擋土墻①橫剖面(單位:m)

2.2 下游擋土墻

下游擋土墻平面布置也呈上寬下窄的鍥形，上接門庫，寬19m;下接電站防沖槽，寬1.38m;左側(cè)與門庫墩墻平齊，右側(cè)為電站尾水渠喇叭口輪廓線。擋土墻順流向水平長91.5m。上游建基面有長8.5m的水平段，其他部分建基面與電站尾水渠相同，坡度為1∶10。

采用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計量資料以（均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差）表示，采用t檢驗；計數(shù)資料以（n，%）表示，采用χ2檢驗，以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

擋土墻結(jié)構(gòu)分為五段，上游四段水平長20m，最末端水平長11.5m，同為充填粉細(xì)砂薄壁空箱式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)構(gòu)方案調(diào)整緣由

在工程建設(shè)過程中，由于種種客觀原因，擋土墻部位具備施工條件時已滯后原定工期數(shù)月，本不占直線工期的擋土墻施工成為關(guān)鍵線路，嚴(yán)重制約門庫、“L”形導(dǎo)墻、閘室等部位的回填、地基處理以及后續(xù)混凝土施工，影響整個工程進(jìn)度。常規(guī)設(shè)計的薄壁空箱式擋土墻，里面還填有粉細(xì)砂，側(cè)重點在節(jié)約工程投資。擋土墻原本不在施工關(guān)鍵線路上，施工雖較復(fù)雜，仍應(yīng)是經(jīng)濟合理的方案。但隨著現(xiàn)場施工實際情況的變化，工期轉(zhuǎn)變?yōu)橹萍s因素，空箱式擋土墻結(jié)構(gòu)面多、結(jié)構(gòu)尺寸小，體型復(fù)雜，模板和鋼筋制作安裝工作量大、耗時長，加之空箱內(nèi)回填粉細(xì)砂，工序之間施工干擾也大，迫切需要基于進(jìn)度優(yōu)化調(diào)整擋土墻結(jié)構(gòu)型式。

4 結(jié)構(gòu)調(diào)整方案

4.1 調(diào)整方案

調(diào)整方案主要目的是簡化工程施工，加快工程進(jìn)度，同時盡量不顯著增加投資。

由于泄水閘和電站進(jìn)出水渠體型需要，擋土墻四周外圍輪廓需保持不變。空箱式結(jié)構(gòu)缺點是模板和鋼筋制作安裝工作量大，耗時長。如果調(diào)整為實體混凝土結(jié)構(gòu)，則將大幅減少模板和鋼筋制作量，有利于加快施工進(jìn)度。但實體混凝土結(jié)構(gòu)因自重大，造成地基承載力不能滿足要求;同時作為大體積混凝土，尚需采取必要的溫控措施;混凝土工程量大幅增加，投資也相應(yīng)增加過多。為此，提出了“蜂窩”式實體結(jié)構(gòu)調(diào)整方案，通過在實體中設(shè)置“蜂窩”狀開孔，在滿足擋土墻抗滑穩(wěn)定的前提下，既控制基底應(yīng)力不超過地基承載力，同時能大量減少混凝土工程量，大幅增加散熱面積，簡化溫控措施。經(jīng)調(diào)研，工地附近預(yù)制商品水泥管生產(chǎn)廠家較多，管徑系列較全，為加快進(jìn)度，選用大直徑水泥管作為開孔模板?？捎米鏖_孔模板的水泥管內(nèi)徑為1.2m和1m，壁厚10cm，強度等級為C20。計劃先澆筑一定厚度底板，底板以上間隔放置預(yù)制水泥管作為“蜂窩”的開孔模板，在水泥管以外的倉面內(nèi)澆筑混凝土，形成“蜂窩”式實體結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)以上游擋土墻①為例，具體說明“蜂窩”式實體結(jié)構(gòu)調(diào)整方案。

“蜂窩”式實體結(jié)構(gòu)方案外圍輪廓保持不變。擋墻抗滑穩(wěn)定和地基承載能力控制工況均為施工完建期。因“L”形導(dǎo)墻側(cè)擋土需要，下游2.5m段長范圍內(nèi)墻頂高程保持28m不變，其他部分則調(diào)整為24m。“蜂窩”開孔的比例根據(jù)抗滑穩(wěn)定及地基承載能力確定，水泥管在整個外輪廓水平投影面積上的開孔率為35%。根據(jù)布置需要，上游擋土墻①開孔以管內(nèi)徑1.2m的水泥管為主，局部采用管徑1m的水泥管。

因泄水閘和“L”形導(dǎo)墻兩側(cè)擋土高度大，從最外側(cè)開孔到結(jié)構(gòu)外輪廓，現(xiàn)澆混凝土墻厚分別為1.8m和1.5m，另外兩側(cè)最小現(xiàn)澆墻厚則不小于0.2m。水泥管按梅花形擺設(shè)，水泥管最小凈距不小于35cm，水泥管之間留有足夠施工空間，便于人員在其間穿行作業(yè)。水泥管順流向擺設(shè)12排，其中最上游一排管內(nèi)徑1m，其他各排管內(nèi)徑1.2m;排間距除上游第一排和第二排之間為1.5m外，其余均為1.6m;同排內(nèi)水泥管間距為1.6m。水泥管頂高程為24m，除最下游一排外，均為敞口;水泥管底高程隨建基面坡度而變化，保持開孔以下底板厚度與原空箱結(jié)構(gòu)底板相仿，約1.5m。預(yù)制水泥管既作為開孔模板，又成為擋墻的組成部分，要求水泥管錯開接頭，在混凝土澆筑前先灑水保持濕潤?！胺涓C”式上游擋土墻①共有直徑1.2m的開孔113個，開孔總長817m;直徑1m的開孔8個，開孔總長41m，總開孔體積955m3。現(xiàn)澆混凝土強度等級為C25，方量為2515m3。調(diào)整為“蜂窩”式實體結(jié)構(gòu)后，除保留導(dǎo)墻懸臂結(jié)構(gòu)和底板底面鋼筋外，其他鋼筋全部取消。

調(diào)整后的上游擋土墻①結(jié)構(gòu)的平面、縱剖面和橫剖面見圖4～圖6。

除上游擋土墻③本為實體結(jié)構(gòu)不作調(diào)整外，其他結(jié)構(gòu)段的調(diào)整方案與此基本相同。

圖4調(diào)整后上游擋土墻①結(jié)構(gòu)平面(單位:m)

圖5調(diào)整后上游擋土墻①縱剖面(單位:m)

4.2 相關(guān)計算

4.2.1 基底應(yīng)力和抗滑穩(wěn)定計算

以上游擋土墻①段為例，計算結(jié)果為:基底應(yīng)力最大340kPa，最小應(yīng)力141kPa，小于地基承載能力400kPa，應(yīng)力不均勻系數(shù)2.41，小于基底最大值與最小值之比的允許值2.5;抗滑安全系數(shù)1.28，大于抗滑安全系數(shù)的允許值1.20?；讘?yīng)力、不均勻系數(shù)和抗滑穩(wěn)定都能滿足要求。

4.2.2 “蜂窩式”實體結(jié)構(gòu)計算

采用有限元法對“蜂窩式”實體進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析。計算采用大型通用商業(yè)有限元軟件ANSYS，不考慮地基影響，只取“蜂窩式”實體建模。邊界條件為底面位移全約束，荷載為結(jié)構(gòu)自重和土壓力。建模時，偏于保守考慮，以水泥管外徑開孔，不考慮水泥管所起作用，但水泥管重量則以相應(yīng)放大混凝土容重方式計入。

以上游擋土墻①段為例，采用六面體實體單元SOLID185，共形成71986個節(jié)點，劃分為318187個單元，取完建期控制工況進(jìn)行計算。計算表明，“蜂窩式”實體內(nèi)部最大剪應(yīng)力約63kPa，順流向和橫流向的底板底面正應(yīng)力值均為壓應(yīng)力，大小約30kPa～65kPa;水泥管底處的底板頂面正應(yīng)力值也均為壓應(yīng)力，大小約0.15kPa～0.22MPa。

總的來看，“蜂窩式”實體各部分應(yīng)力水平均很小，遠(yuǎn)在混凝土自身可承擔(dān)能力以內(nèi)，無需配置鋼筋。

另外，經(jīng)計算，底板底面配置的一層間距20cm直徑20mm的鋼筋網(wǎng)，滿足施工期底板承擔(dān)施工荷載的要求。

4.3 相關(guān)工程量比較

調(diào)整前，上下游擋土墻混凝土總方量7214m3，鋼筋483t;調(diào)整為“蜂窩”式擋土墻后，混凝土方量8652m3，鋼筋120t，水泥管用量總長度2420m。其中，內(nèi)徑1.2m管長2340m;內(nèi)徑1m，管長80m。經(jīng)核算，“蜂窩”式擋土墻總造價約增加7%，在各方均可接受程度以內(nèi)。

5 結(jié)語

上下游擋土墻調(diào)整為“蜂窩”式結(jié)構(gòu)，大幅度減少了模板和鋼筋制作安裝工作量，簡化了施工，優(yōu)化了工序，工程進(jìn)度顯著加快，工期大幅縮短。雖調(diào)整后擋土墻自身總造價有所增加，但相對于進(jìn)度優(yōu)化效益，調(diào)整方案具有很高的性價比。

〔1〕郝文化主編.ANSYS土木工程應(yīng)用實例.北京:中國水利水電出版社，2005.

〔2〕劉 濤，楊鳳鵬主編.精通ANSYS［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.