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灌渠倒虹吸水池加固设计方案研究

更新时间:2009-03-28

1 前言

1.1 工程概况

湖南地区某灌渠跨路渡槽改造为下钻公路的倒虹吸形式,以满足大件设备公路运输的需求。灌渠设计流量3.14m3/s,渠道底宽2.8m、坡降为万分之一;如图1所示,倒虹吸设施主要包括进水池、倒虹吸管道、出水池、节制闸、放空冲淤阀等。

进水池布置在上游渠道末端,进口侧墙与上游渠道水流向轴线成30°夹角布置。原有跨路渡槽轴线向北侧偏移10m布置倒虹吸管,倒虹吸管末端设置出水池,为保证出水流畅,出水池侧墙同样与渠道水流向轴线成30°夹角布置。

进水池基底土由上至下为:(1)填筑土:松散-稍密,土质不均匀,物理力学性质较差,不宜作为地基持力层,厚度约为3m;(2)粉质粘土:可塑,承载力特征值fak=100kPa,压缩模量Es1-2=4.2MPa,厚度约为4m;(3)钙泥质粉砂岩:全风化,承载力特征值fak=250kPa。

如图2、3所示,进水池平面形状与水流方向协调,横纵最大尺寸为5.1m×13.8m,水池结构池深为6.0m,设计水深4.93m、加大水深5.11m。进水池采用钢筋混凝土结构,平面池底板下采用Ф300mm洛阳铲群桩进行地基处理,桩底落于风化岩层;由于结构形式的差异,进水池整体采用两段式结构,在坡面池底板与平面池底板交接处设置沉降缝、缝内设置橡胶止水带[1]

倒虹吸工程建成后,应建设单位的要求,需在进水池与其邻近的乡道之间建设一条泄洪渠,用于灌渠水位超限时泄洪、降低渠道水位,泄洪渠采用浆砌毛石结构、断面净尺寸为1.4m×1.4m。

  

图1 倒虹吸纵断面图

  

图2 进水池平面布置图

  

图3 进水池剖面布置图

1.2 设计方案难点

为应对本工程复杂的场地条件和严格的建设要求,设计方案需考虑以下多个限制因素。

1)严格的建设要求。施工期恰逢雨季,建设单位要求以最快的速度完成泄洪渠的施工并投入使用,以应对潜在的汛期洪水的影响。

根据规范计算公式[4],对分离式方案和联合式方案分别进行抗滑移稳定性(式1)、抗倾覆稳定性(式2)、地基承载力的验算和工程量的计算,结果如表1所示。

3)基坑施工难度大、风险高。

如图3所示,进水池池壁受到池内水的水平推力,由于进水池为不连续的分段结构,水的推力传导至池底板、由基底的桩土共同抗推作用承担。

若施工时直接开挖泄洪渠基坑,水池外侧的桩间土必然受到扰动而产生松动,导致桩土抗推作用减小或失效;另外,泄洪渠建成后,其与进水池之间的基坑土很难回填压实,这会进一步削弱进水池的抗推能力。

若施工前考虑先进行泄洪渠基坑的支护,由于进水池与乡道之间空间狭小,施工机械操作难度大,且能量较大的振冲类动作也容易对水池结构造成不利影响;另外,泄洪渠建成后,进水池外侧形成内高外低约2.4m的高差,较大的水平推力会直接作用于邻近水池侧的泄洪渠侧壁挡墙上,该挡墙的截面若只考虑常规土压力,则无法满足进水池的抗推要求。

考虑上述两种基坑施工条件,增建泄洪渠后,进水池在蓄水后很可能由于抗推能力不足而发生位移,随后在沉降缝处被拉裂、漏水,届时外漏水流会洗空部分桩间土,进而使进水池的整体水平位移继续增大、或可产生严重的倾覆类事故。

小结:从对以上限制因素的分析可知,为确保进水池的安全运行,泄洪渠的建设无法独立开展,其设计方案须综合考虑进水池的抗推加固措施。

在时间上具有明显的周期性,有5个明显的地震活跃期,分别为:1913~1925、1936~1955、1970~1976、1988~1996、2011年至今。

2 进水池的抗推加固设计方案研究

2.1 抗推墙结构形式综述

设计拟采用抗推墙作为进水池抗推加固措施的主体,抗推墙的工作原理与挡土墙相似,只是墙身外部受力由常规的土压力变为水池内水的水平推力。

挡土墙的结构类型繁多,工程中较为常见的主要有重力式挡土墙、钢筋混凝土挡土墙、悬臂式排桩支护结构、拉锚式围护结构等。

1)重力式挡土墙墙身材料可选用毛石砌体、毛石混凝土和素混凝土,主要利用墙体重力作为滑移和倾覆的抗力。

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2)钢筋混凝土挡土墙分为悬臂式挡土墙和扶壁式挡土墙,悬臂式挡土墙墙高不应超过8m,当墙高大于8m时,宜采用扶壁式挡土墙,主要利用墙体及其上覆土的重力作为滑移和倾覆的抗力。

3)悬臂式排桩支护结构和拉锚式围护结构一般用于深基坑、坝址等的支护[2]

由于本工程的特殊性,抗推墙的选型无法直接利用上述挡土墙形式,需根据自身受力特点、结合工程要求,在常规挡土墙结构形式的基础上研究新型挡墙[3]

2.2 抗推加固方案设想

进水池在注水运行后水深较大、并长期受水流影响,这样的工况对水池的结构稳定性和密闭性能都有着严格的要求,则进水池抗推加固措施的设计方案需从以下四个方面着手:

1)满足管理单位的需求,加固措施需考虑预留泄洪渠的空间;

基于致病因素的刺激,羊的胃肠道会产生程度不同的病变,例如化脓、充血、深处以及坏死等。个别阶段内羊胃肠岛内出现炎症的严重程度高低,和致病刺激物的浓度、有毒物质的溶解度以及个别病原体与组织间存在的某种亲嗜性存在较大的关联性。例如,胃肠壁中的上皮细胞脱落、损伤等,都会导致胃肠道的对食物的吸收以及消化效果受到影响;基于消化道中容物的非正常分解而产生的物质将会对胃肠壁造成二次刺激,这也是导致患病羊粪便恶臭明显的主要原因。

2)依照设计规范的规定,对抗推墙的抗滑移稳定性、抗倾覆稳定性、地基承载力进行验算[4]

4)进水池地基基础的抗推能力由桩、桩间土、水池底板的综合作用产生,加固结构的基坑开挖后,其抗推能力减弱的程度存在不确定性,且能够发挥的抗推能力也是通过水平变形实现的;另外该进水池与周围的民房、公路、农田等设施距离很近,加固措施应确保水池的稳定、保障周边人员生命财产的安全、满足下游农田的灌溉需求。故方案应考虑由抗推墙承担全部的水体推力。

3)即使进水池伸缩缝处发生微小的变形,也有可能造成渗水、漏水,为保证水池的安全运行,需采取有效措施对结构变形进行管控。

根据上述设计要素,进水池的抗推加固结构宜选用重力式抗推墙形式。利用进水池与乡道之间的有限空间,抗推墙设置在进水池外侧底板脚部的斜下方,水平推力通过底板脚部传递到抗推墙;根据不同的抗推墙与泄洪渠的相对位置可考虑采用分离式布置和联合式布置两种加固方案。

2.3 分离式布置的加固方案

分离式布置是将抗推墙和泄洪渠的形体轮廓分开考虑,即在确定抗推墙的截面形式时预留泄洪渠的位置,满足原有泄洪渠断面的净空要求。

式(3)中,s为地基最终变形量,s′为按分层总和法计算出的地基变形量,ψs为沉降计算经验系数、取值1.3,p0为相应于作用的准永久组合时基础底面处的附加压力,Esi为基础底面下土的压缩模量,a¯i为基底土平均附加应力系数。

  

图4 分离式布置的加固方案

由于场地土偏软、地基承载力较小,为降低基底压力以满足地基承载力验算的要求,分离式抗推墙的底板需要有较大的外伸长度,则抗推墙截面的整体性较差、属于柔性结构,为保证抗推墙截面的抗弯能力,墙身和底板均采用现浇钢筋混凝土结构。

分离式布置的设计思路直接、清晰,设计原则是在抗推墙和泄洪渠之间划分隔离性质的界线、使二者完全脱开,该方案也是设计单位首先提出的加固方案。但建设和施工单位提出,施工期恰逢雨季,泄洪渠应尽快建设完成并投入使用,以应对可能发生的雨量大增、洪水倾泻,保障灌渠安全度汛,各方认为分离式布置存在以下不足之处:1)抗推墙截面为不规则形状,施工过程中模板工作量大且复杂,墙身的浇筑施工需在底板混凝土养护至一定强度后才可进行,整体施工周期过长,泄洪渠需在墙身模板拆除后才可进入运行状态,不满足建设进度的要求;2)由于施工期较长,基坑开挖后迟迟无法回填,一旦遭遇大雨、基坑的防雨排水工作难度很大,存在安全隐患。

2.4 联合式布置的加固方案

为适应雨季施工、加快建设速度,设计创新性的提出联合式布置的加固方案。如图5所示,为使抗推墙和和泄洪渠能在狭小的场地空间中发挥各自的功能作用,设计将二者联合起来作为一个综合体考虑,泄洪渠相对位置不变、由矩形截面的砌体渠道改为圆形截面的预制涵管,联合式抗推墙整体为大块式结构,墙体将泄洪管道包裹在截面内部,墙顶与进水池外侧底板脚部相接,钢筋混凝土顶梁、墙背外倾坡度、墙底内倾角度的做法与分离式方案一致。

联合式抗推墙外形比较规则,截面整体性较好、属于刚性结构,抗推墙可采用施工速度更快、施工方法更为简单的浆砌毛石结构。

  

图5 联合式布置的加固方案

2.5 两种方案的对比分析

2)布置空间狭小、限制性强。如图3所示,拟建泄洪渠基坑底在水池底板底面之下约2.8m,进水池与邻近乡道之间最大水平净距仅为5.0m,施工中需保证乡道上社会车辆的正常通行。

 

抗推墙在受到水池的水平推力后,墙体的水平位移主要由墙下地基土的压缩变形产生,那么控制土体变形就成为抗推墙限制水池水平位移的关键[5]

结合以上计算结果,对两种加固方案进行对比分析,可知联合式布置方案在以下多个方面均具有较大优势、也更适应工程实际的特殊需求。

CK1处理抑制单株结薯数量、单株产量、小区产量及商品薯率,较CK2分别减少1.00个、146.4 g、23.4 kg和2.5个百分点,CK1和CK2的单株结薯数和小区产量间存在显著差异。

 

表1 方案计算对比表

  

注:修正后的地基承载力特征值为145kPa。

 

方案项目 抗滑移稳定性 抗倾覆稳定性 基底压力(kPa) 每延米工程量(m3) 每延米造价(元)分离式布置 1.3=1.3 2.2>1.6 pkmax=110<1.2×145 11.0 8200联合式布置 1.8>1.3 2.3>1.6 pkmax=150<1.2×145 17.0 3900

1)由表1可知,分离式方案抗推墙自重较小,设计由结构抗滑移稳定控制,联合式方案抗推墙自重较大,设计由地基承载力控制;但为满足稳定性验算,足够的自重是必不可少的,这样也限制了优化减小抗推墙工程量的空间,而分离式布置需采用钢筋混凝土结构、单位造价较高,不可避免的使联合式布置方案的工程造价远低于分离式布置方案。

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2)联合式方案的自重较大、由自重产生的基底平均压力可达75kPa,抗推墙施工完成后,较大的自重会加速地基土的压缩变形,从而减小抗推墙受到水池水平推力后的地基变形,可以进一步增强抗推墙对水池的限位能力。

3)联合式方案将泄洪管道布置在抗推墙内部,不仅充分利用了有限的场地空间,同时减小了抗推墙的截面面积、降低了抗推墙的工程量和造价。

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4)联合式方案采用浆砌毛石结构,施工速度快,雨季施工隐患小,且抗推墙自下而上层层砌筑,在施工至中层、将泄洪管道安装牢固后,无需等待抗推墙整体砌筑完成泄洪管即可投入使用,以最快的速度达到了增建泄洪渠工程最初的目的,也得到了各参建单位的支持。

3 进水池抗推墙的预加力方案

式(1)和式(2)中,Ea为水平推力,G 为抗推墙自重,μ为土对抗推墙基底的摩擦系数、取值0.3。

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如图4所示,分离式抗推墙整体截面呈“L”型,墙顶与进水池外侧底板脚部相接,相接处设置纵向贯通的钢筋混凝土顶梁、顶梁上部预留布置千斤顶的凹槽;墙背外倾坡度比为1:0.3、从而方便基坑开挖,墙底内倾角度为10度、用以增强抗推墙的抗滑移能力;泄洪渠布置在抗推墙底板之上,对于两侧的渠壁,一侧利用抗推墙的墙身、对侧另行设置浆砌石渠壁,渠壁顶部搭盖渠道盖板。

按照地基内土体各向同性均质线性变形体理论、根据计算公式(3)计算地基变形[4],进水池未注水时由抗推墙重力产生的地基变形s1=44mm,进水池注水后抗推墙在水平推力作用下的最终地基变形sz=70mm。由此可知,单独由水池内水体的水平推力作用产生的地基变形s2=sz-s1=26mm,则由抗推墙截面几何形状导算,单独由水平推力产生的墙顶水平位移(即进水池水平位移)为5.6mm。

为严格控制水池的水平位移,设计考虑采用预加力的方式使抗推墙顶的水平位移在进水池注水前完成[6],并在同时保证进水池保持原位不动。如图6所示,预加力通过在抗推墙顶预留槽内布置的千斤顶实现,千斤顶水平安装、槽内纵向间距1.0m,考虑由每个千斤顶模拟每延米的水体水平推力,随着千斤顶水平行程的逐渐增大、其向水池和抗推墙施加的顶推力也不断增大。千斤顶选用最大承重30t的自锁式型号,最大伸展行程150mm。

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预加力的加载参考地基土浅层平板载荷试验的方法和流程,对千斤顶进行逐个和逐级的加载,加至最大荷载级且观测水平位移稳定无变化时,可确认抗推墙下地基土的压缩变形已全部完成。现场实测墙顶累计水平位移为4.9mm,与计算值较为吻合,也说明预加力方案起到了预想的作用。

预加力加载完成后,在相邻千斤顶之间的留空处浇筑素混凝土,并添加膨胀剂,将千斤顶预留槽填充紧实后,即可卸载千斤顶并取出,至此进水池的抗推加固措施全部完成。

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图6 预加力千斤顶布置实景图

4 联合式抗推墙关键节点的构造做法

联合式抗推墙是针对工程实际的复杂情况和严格要求而设计的独特方案,在同类工程中尚属首次,此前亦无工程先例可参考,为保证其加固效果和安全运行,在设计中还需特殊考虑几处关键节点的构造做法。

4.1 钢筋混凝土顶梁

水池的水体水平推力通过水池底板施加在抗推墙的顶部,抗推墙顶受到较大的集中力,这就需要墙顶具有足够的强度和截面刚度;另外,抗推墙顶设置千斤顶安装槽,由于千斤顶按照一定的间距布置,抗推墙顶需具有较大的纵向刚度,用以将千斤顶的点式荷载均匀的传导至整体抗推墙。从以上需求可知,抗推墙顶部应设置钢筋混凝土顶梁[7]

钢筋混凝土顶梁的截面形式除应适应水池底板和千斤顶安装槽的构造要求以外,还应考虑尽量限制抗推墙顶的水平位移。如图7所示,对于墙顶采用不同构造形式的两种抗推墙,当地基压缩变形同为Δs时,由于墙体的转动支点不同,采用水池底板下嵌固式构造的墙顶水平位移Δd1明显小于未采用嵌固式构造的墙顶水平位移Δd2

1.2.1.2 N-QOL 是评价夜尿对夜尿症患者生活质量影响的特异性工具,属于自评式量表,它是由Abraham等[9]于2004年发展而来的。量表共包括13个条目,睡眠/精力部分6个条目(条目1、2、3、4、5、6),困扰/关注部分6个条目(条目7、8、9、10、11、12)及生活质量总评分(条目13)。各个条目均采取Likert等级评分,0~4分代表“极度”到“一点也不”,满分72分,得分越高,表明生活质量越好。该量表具有较好的信度和效度,Cronbach′s α系数为0.84,与健康调查简表(SF-36)活动部分及匹兹堡睡眠指数量表效标关联效度分别为0.65和0.67[9]。

  

图7 抗推墙位移示意图

依照上述思路,设计采用“L”型顶梁截面,将顶梁下部的一角嵌固在水池底板之下,当地基变形导致抗推墙顶水平位移时,巧妙的改变抗推墙转动的支点,有效的减小了墙顶的水平位移。

4.2 预制涵管四周设置钢筋网片

泄洪预制涵管布置在联合式抗推墙内部,为提高涵管与墙身的连接强度、增强抗推墙的整体性,需在涵管四周设置起锚固作用的钢筋网片。

4.3 千斤顶找平座套

由于千斤顶缸体尺寸较小、千斤顶安装槽的平直度存在土建施工误差,为保证千斤顶的安装水平度、降低千斤顶加力点的局部压应力,需在千斤顶两端设置专用的钢制找平座套。

5 结语

针对灌渠倒虹吸水池的复杂边界条件和严格建设要求,提出联合式抗推墙布置方案,创新性的将增建泄洪渠和由此带来的水池抗推加固设施作为一个综合体考虑,并采取预加力措施,促使泄洪渠快速投入使用,确保了进水池的安全稳定运行,同时降低了工程量和造价。该方案在行业内是首次研究并应用的成果,实施后取得了很好的效果,给同类工程也提供了良好的借鉴。

参考文献:

[1]王艳舫,王琴,续青.浅谈水池伸缩缝的设置 [J].山西建筑,2008,34(15).

[2]唐忠敏,马永军,张公平.复杂地质条件下锦屏一级高拱坝坝趾加固措施研究[J].水利水电技术,2014,45(11).

[3]钱铁柱.防滑混凝土凸榫与浆砌石重力挡土墙的联合运用[J].水利水电技术,2003,34(9).

[4]GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[5]千明德,王鑫.锚杆静压桩在某水池加固工程中的运用[J].低温建筑技术,2013,(2).

[6]唐颖栋,陈玮,杨继飞,顾石磊.钢绞线在水池加固中的应用[J].建筑技术,2011,42(12).

[7]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

 
唐剑潇,熊贶
《吉林水利》 2018年第05期
《吉林水利》2018年第05期文献

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