◎ 宋　輝　湖南省水運建設投資集團有限公司

新型樁基透空式導流屏應用與結(jié)構(gòu)特性研究

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為了研究新型樁基透空式導流屏，針對沅水五強溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)存在的礙航問題，采用整體定床水流模型與遙控自航船模試驗相結(jié)合的研究手段，驗證五強溪水電站下游引航道改造設計方案的工程效果，并從改善通航條件、降低工程造價、便于維護等角度，對設計方案進行論證優(yōu)化，提供試驗技術參數(shù)，為施工圖設計方案優(yōu)化比選提供科學依據(jù)。此外，通過分析新型樁基透空式導流屏主要材料性能、施工方法、工藝特性等，提出有利于工藝的應用措施。

透空式 導流屏 結(jié)構(gòu) 特性

1.引言

新型樁基透空式導流屏是一種新型結(jié)構(gòu)，近年來受到越來越多的關注。這是因為從工程造價、施工、對環(huán)境的影響等方面，通過對空心防波堤的效果要好于固體防波堤。通過空氣導流式屏幕的因素很多，一個新的基礎，主要在波陡（H/L），相對水深（D），堤頂寬度（B）和浸泡的相對深度（a/H）。透水防波堤，波浪傳遞到堤防漫頂和傳輸是由兩部分組成，然后考慮波流相互作用的需要。五強溪水電站船閘下游引航道改造工程在初步設計階段只有數(shù)值模擬可供參考，初步設計采用浮堤樁基連系墩方案。現(xiàn)針對該工程開展物理模型試驗研究，并結(jié)合模型試驗成果對設計方案進一步優(yōu)化，施工圖設計擬采用深槽回填+樁基透空式導流屏方案。

2.新型樁基透空式導流屏應用與結(jié)構(gòu)施工

本課題研究的五強溪水電站下游引航道的新型樁基透空式導流樁基透空式導流屏緊挨原導航布置，從上游至下游分別平行錯位布置11個連系墩和10段插板，各聯(lián)系墩與原導航墻稍朝內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)19.1°，總長218.523m。

2.1新型樁基透空式導流屏主要材料性能

（1）混凝土

樁基采用C30水下鋼筋砼；承臺、墩柱、插板采用C30鋼筋砼；預制塊采用C15砼；配制混凝土所采用的水泥、砂、石、水等材料及混凝土的配合比、拌制、運輸和澆注應符合《水運工程混凝土施工規(guī)范》（JTS202-2011）和本工程施工招標文件相關規(guī)定。

（2）普通鋼筋

普通混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋采用HRB400級、HPB300鋼筋。鋼筋型號HRB400，fy=360MPa；鋼筋型號HPB300，fy=270MPa。鋼筋標準必須符合GB1499-98、GB13013-1991及《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（JTS151-2011）。

（3）鋼材

技術標準必須符合“GB/T1591-2006”的規(guī)定，選用的焊接材料應符合“GB/T5117-2012”和“GB/T5118-2012”的要求，并與所采用的鋼材材質(zhì)和強度相適應。

鋼板：采用《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB700-2006）規(guī)定的Q235B鋼板

2.2新型樁基透空式導流屏結(jié)構(gòu)施工

（1）鋼圍堰施工

鋼圍堰采用雙壁鋼結(jié)構(gòu)，帶砂卵石回填和基床開挖后，潛水員找平，鋼圍堰直接沉放至平整基床上，底部四周做填筑防護。計劃安排水上承臺施工是在枯水期內(nèi)完成，因此鋼圍堰設計頂標高按55m考慮，水下承臺底標高最低的為39m，圍堰封底最低為36.5m，圍堰抽水后施工的最大水頭差17m，水流流速2.7米/秒，綜合考慮以上因素，本工程采用雙壁鋼圍堰進行施工。為保證承臺施工，考慮水流速度較大，沉放過程中安裝偏差大，故鋼圍堰內(nèi)應預留承臺模板施工作業(yè)空間。鋼套箱的加工要指定專業(yè)的企業(yè)進行分塊加工，具體施工人員在接到設計圖紙后，應組織人員進行圖紙審核、設計交底，按照設計圖紙、相關規(guī)范及工藝進行鋼套箱的加工。

（2）φ2500鉆孔樁施工

本工程有φ2500鉆孔樁36根，均距離岸側(cè)較遠，故利用已沉放鋼圍堰搭設水上鋼平臺進行鉆孔樁施工，鋼平臺圍堰沉放后分三次安裝。

2.3新型樁基透空式導流屏結(jié)構(gòu)效果

樁基端承層為中風化板巖，1#～7#墩樁基嵌巖深度不小于5.5m，且樁長不小于12m，因此根據(jù)各墩實際地質(zhì)情況，各墩體樁底標高分別定為：1#墩27.5m、2、5#墩24.0m、3、4#墩21.0m、6#墩26.0m、7#墩29.0m；考慮8#～11#墩結(jié)合實際地形采用重力式實體連系墩形式，要求基底奠基層為中風化板巖，基底標高均定為39.0m。考慮導流屏主要功能是改善水流條件，且錯位斜線布置，船舶無法靠近導流屏，且從工程經(jīng)濟角度考慮，導流屏墩體標高僅需滿足擋流即可，工程最大通航流量7800m3/s時對應下游水位為57.53m，連系墩墩頂標高為58.5m。樁基墩體結(jié)構(gòu)形式結(jié)合地形情況進行布置，導航堤堤頭下游存在深達15m的深槽，方案中有1#～7#墩位于該深槽范圍內(nèi)，為保證墩體下滿足樁基承載力要求，各墩體承臺底標高分別為：1#墩39.5m、2#～5#墩40.0m、6#～7#墩41.5m。1#、6#～7#墩體承臺下通過4根直徑為2.5m的樁基與下部地基連接，2#～5#墩體承臺下通過6根直徑為2.5m的樁基與下部地基連接；而深槽以外8#～11#墩體底標高為39.0m，墩體承臺直接坐落在中風化板巖上。墩體及承臺采用C30鋼筋混凝土。墩體承臺下樁基采用C30鋼筋混凝土灌注樁。

相對布置的插槽之間凈距為17.5m，插槽寬0.84m。插板分為10塊等高插板分層排列，每塊插板高1m、寬0.8m、長17.4m。插板采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上下層插板通過吊裝孔相互連接。為控制橫向水流透空，對口門深槽進行回填，回填至標高45m，深槽回填從上至下分別為：1.5m厚C15砼預制塊、6.5m厚20～50kg塊石、粒徑為20mm～50mm砂卵石；C 1 5砼預制塊尺寸為：1.5m×1.5m×1.5m（長×寬×高），要求平整緊密擺設。

3.新型樁基透空式導流屏特性研究

根據(jù)試驗分析分析，對擬建場區(qū)內(nèi)各巖土層物理力學性質(zhì)評價以及對擬建工程基礎形式和持力層的建議如下：沖填土：松散，成分較雜，為近期水力充填而成，厚度小，分布不均，物理力學性質(zhì)較差，應予以清除，不宜作為擬建工程基礎持力層；強風化板巖：巖質(zhì)軟，巖石破碎，現(xiàn)場重型動力觸探試驗實測擊數(shù)大于50擊，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗和本次勘察成果建議該層承載力設計值fd=350kPa。該層土物理力學性質(zhì)較好，承載力稍高，但厚度較小，分布不均，不宜作為擬建建筑物基礎持力層；中風化板巖：屬較軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級，巖石飽和單軸極限抗壓強度試驗范圍值為19.4～50.6MPa，平均值為35.0 MPa，標準值frk=31.6MPa。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗和本次勘察成果建議該層承載力設計值fd=1500kPa。該層下伏于整個場區(qū)，厚度大，本次勘探未揭穿，力學性質(zhì)好，可以直接作為擬建建筑物基礎持力層。根據(jù)上述分析，結(jié)合擬建引航道浮式導航墻的結(jié)構(gòu)形式，建議基礎形式采用樁基礎，以中風化板巖為基礎持力層，且基礎埋深必須通過驗算并符合有關規(guī)范規(guī)定。

通過本文初步研究，為了展開更加深入研究應該從以下幾方面考慮：

（1）以五強溪樞紐為背景，運用浸入邊界法，建立船閘引航道口門區(qū)附近河段局部三維水流數(shù)學模型。并運用數(shù)學模型對無導流結(jié)構(gòu)的引航道口門區(qū)三維水流結(jié)構(gòu)進行精細模擬，觀測三維流速分布，驗證數(shù)學模型。

（2）運用數(shù)學模型，增加有樁基透空式導流屏結(jié)構(gòu)，選取不同水深與流速工況組合，開展樁基透空式導流屏結(jié)構(gòu)對船閘口門區(qū)三維水流運動影響機理的研究，獲得底部水流橫（縱）向擴散形態(tài)及垂向擴散形態(tài)，以及導流墻下游擴散段三維流場分布規(guī)律，研究在復雜水動力條件下的船閘口門區(qū)主要流場分布形態(tài)，分析不良流態(tài)的產(chǎn)生條件，研究樁基透空式導流屏結(jié)構(gòu)作用下的突擴水流能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。

（3）運用數(shù)學模型，選取不同透空高度與橫向間距組合試驗方案，調(diào)整導流屏橫向間距及底部透空高度，開展樁基透空式導流屏結(jié)構(gòu)設計參數(shù)研究，計算不同導流屏橫向間距、不同透空高度下引航道口門區(qū)三維流速分布，分析各結(jié)構(gòu)設計參數(shù)對船閘口門區(qū)三維水流結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

（4）根據(jù)能量守恒原理，以最大橫向流速0.3m/s控制標準，開展樁基透空式導流屏結(jié)構(gòu)設計參數(shù)與來流水動力條件的相關性分析，確定影響口門區(qū)通航水流條件的關鍵因素，提出設計參數(shù)確定原則，確定樁基透空式導流屏結(jié)構(gòu)適用范圍，為其它類似工程提供借鑒。

4.結(jié)論

五強溪樞紐船閘下游引航道口門區(qū)通航條件物理模型試驗研究報告可知，施工單位應根據(jù)進度要求制訂科學可行的施工組織設計，確保工程進度和工程質(zhì)量，同時應制訂嚴格的安全施工規(guī)程，確保施工人員安全。通過本論文論應該要樁基透空式導流屏可達到水流沖擊不破壞的預期效果，適應堤壩，河流水庫的擋板設置的相關類型工程。

［1］唐琰林.雙層水平板型透空式防波堤消波性能研究［D］.大連理工大學，2006.

［2］殷福安.擋板式透空堤透浪特性研究［D］.河海大學，2005.

［3］荊昆.防波堤設計的風險分析［D］.中國海洋大學，2005.