周海輪

(商丘市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 商丘 476000)

1 前言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，水利工程建設(shè)也在逐步完善，在一些小型河渠上，一座又一座的小型水閘不斷建成。上游連接段作為水閘工程中一個(gè)重要的組成，承擔(dān)著導(dǎo)流、防滲、擋土的作用，其結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)是否合理關(guān)系著整個(gè)水閘建設(shè)的成敗，在水閘設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮水閘整體布置、地質(zhì)條件以及當(dāng)?shù)亟ㄖ牧系墓?yīng)情況等因素，合理選擇水閘上游連接段的結(jié)構(gòu)型式。

2 常用結(jié)構(gòu)型式

對(duì)于梯形河渠土基上的小型水閘，上游端與河渠連接處一般采用與河渠相同斷面的護(hù)坡+護(hù)底的結(jié)構(gòu)型式，材質(zhì)可以選擇混凝土、漿砌石等，對(duì)于該段的結(jié)構(gòu)型式此處不作分析。本文著重論述梯形斷面與閘室段之間連接段的結(jié)構(gòu)型式，并對(duì)常見(jiàn)的幾種型式進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析。

在小型水閘設(shè)計(jì)過(guò)程中，常用的上游連接段結(jié)構(gòu)型式有：①扭面+鋪蓋；②矩形槽鋪蓋+上游導(dǎo)流段；③擋土墻+鋪蓋防滲+上游導(dǎo)流段；④圓弧翼墻(八字墻)+加厚護(hù)坡+鋪蓋；⑤圓弧翼墻(八字墻)底板連接鋪蓋防滲+護(hù)坡導(dǎo)流。

2.1 扭面+鋪蓋

兩側(cè)采用扭面連接閘墩與上游護(hù)坡，底部采用鋪蓋。扭面一般采用漿砌石結(jié)構(gòu)，鋪蓋多采用混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

當(dāng)然，扭面也有選用混凝土結(jié)構(gòu)的，但因模板施工比較困難，一般很少采用。

優(yōu)點(diǎn)：上游連接段長(zhǎng)度較短，空間布置緊湊；節(jié)省工程量；水流平順。

缺點(diǎn)：漿砌石的防滲性能相對(duì)混凝土較差，經(jīng)常需要在墻后鋪設(shè)土工膜增強(qiáng)鋪蓋段的防滲性能；扭面后回填土壓實(shí)困難，容易形成側(cè)向繞滲；由于環(huán)保政策限制，現(xiàn)在多地石料限采，造成石料采購(gòu)困難；部分地區(qū)缺少有經(jīng)驗(yàn)的砌石工人，質(zhì)量不易保證。

因此，這種結(jié)構(gòu)型式多用于石料容易采購(gòu)、閘室段已滿足或已基本滿足防滲要求，對(duì)上游連接段的防滲效果要求不高的小水頭水閘。

2.2 矩形槽鋪蓋+上游導(dǎo)流段

鋪蓋段采用落地矩形槽防滲，上游專設(shè)導(dǎo)流段。導(dǎo)流段可采用扭面或圓弧翼墻(八字墻)+護(hù)坡的結(jié)構(gòu)型式，如果擋土高度較大或河坡較寬，擋土墻可采用臺(tái)階式分段布置。

優(yōu)點(diǎn)：矩形槽為整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)閘基滲流的防滲效果非常好；上游導(dǎo)流段擋土墻對(duì)側(cè)向繞滲有較好的防滲效果；矩形槽是對(duì)稱式的整體構(gòu)件，不需進(jìn)行抗傾覆、抗滑的穩(wěn)定驗(yàn)算；矩形槽一般自重較輕，基底接觸面較大，平均地基應(yīng)力小。

缺點(diǎn)：工程量較大；若鋪蓋段、閘室段和消力池段都采用直墻，對(duì)于小孔徑的水閘來(lái)說(shuō)，外觀上比較狹窄細(xì)長(zhǎng)，尤其對(duì)于閘墩較高的，更是缺少協(xié)調(diào)感；對(duì)于閘室總凈寬較大的水閘，鋪蓋段矩形槽底板中心的彎矩較大。

因此，這種結(jié)構(gòu)型式多用于閘室段防滲長(zhǎng)度不夠、閘室總凈寬較小、水閘布置空間充足的水閘。

值得一提的是，當(dāng)水閘在順?biāo)鞣较虿贾瞄L(zhǎng)度受限，或者渠道較寬而流量較小采用小孔徑水閘時(shí)，也經(jīng)常不設(shè)置導(dǎo)流段，而是采用與河道水流方向垂直的角墻式翼墻。不過(guò)這樣會(huì)在兩側(cè)翼墻的上游形成回流，可能引起沖刷，并且影響水流均勻進(jìn)入閘室，進(jìn)而影響下游流態(tài)。故這種角墻式的布置方式一般僅用于水頭較小、流速不大的水閘。

2.3 擋土墻+鋪蓋防滲+上游導(dǎo)流段

這種結(jié)構(gòu)型式與型式②基本一致，唯一區(qū)別在于鋪蓋段不再是一個(gè)整體的矩形槽，而是擋土墻+鋪蓋底板，并在墻底與鋪蓋之間做止水連接。鋪蓋的基底應(yīng)力與上部荷載為同等大小的均布應(yīng)力，不再受彎矩作用，可以不受跨徑的限制，適用于閘室總凈寬較大的水閘。

值得一提的是，當(dāng)采用這種結(jié)構(gòu)型式時(shí)，要做好兩側(cè)擋土墻的穩(wěn)定驗(yàn)算和結(jié)構(gòu)計(jì)算，并應(yīng)分完建期、正常蓄水、設(shè)計(jì)洪水、水位驟降、正常蓄水+地震等工況分別計(jì)算，計(jì)算量較大。另外，在方案比選過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)有相關(guān)參數(shù)(如特征水位、墻頂高程、墻底高程等)不斷變化，這就使設(shè)計(jì)工作者的工作量大大增加。當(dāng)然，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)比較發(fā)達(dá)，可以借助軟件。不過(guò)目前很多軟件也有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性，例如，“百圖軟件”可以計(jì)算沒(méi)有墻踵的擋土墻，但是不能計(jì)算加凸隼的擋土墻，抗滑容易不滿足要求；“理正軟件”無(wú)法模擬沒(méi)有墻踵的情況，但可以計(jì)算加凸隼的擋土墻，抗滑易滿足要求，但不均勻系數(shù)不易滿足要求。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，可以兼顧使用兩個(gè)軟件，分別計(jì)算抗滑(用“理正軟件”)與地基應(yīng)力(用“百圖軟件”)。

2.4 圓弧翼墻(八字墻)+加厚護(hù)坡+鋪蓋

鋪蓋段兩側(cè)采用擋土墻，墻面與鋪蓋之間的三角區(qū)按照與上游河道邊坡同等坡度進(jìn)行回填土，并做混凝土護(hù)坡，為達(dá)到防滲要求，護(hù)坡厚度應(yīng)≥0.40 m，護(hù)坡與擋土墻及鋪蓋之間均應(yīng)做止水連接。

這種結(jié)構(gòu)型式優(yōu)點(diǎn)明顯，由于三角護(hù)坡的存在，鋪蓋段具有導(dǎo)流作用，不需要再專設(shè)上游導(dǎo)流段，縮短水閘長(zhǎng)度，減少占用空間；兩側(cè)擋土墻采用俯斜式，墻后填土易于壓實(shí)，避免了扭面后容易產(chǎn)生側(cè)向繞滲的不利情況。

不過(guò)缺點(diǎn)也一樣明顯，三角區(qū)護(hù)坡作為鋪蓋段防滲體的一部分，其防滲作用與鋪蓋同等重要，其兩側(cè)的擋土墻和鋪蓋一般均坐落在原狀土上，而三角區(qū)護(hù)坡卻坐落在回填土上，故此處對(duì)回填土壓實(shí)度的要求很高，但邊角地帶正是不易壓實(shí)的部位，一旦出現(xiàn)不均勻沉降，很容易造成混凝土開(kāi)裂或止水撕裂形成裂縫。不論鋪蓋的建設(shè)厚度為多少，只要其出現(xiàn)了裂縫，就不具備相應(yīng)的防滲功能了。另外，這種結(jié)構(gòu)型式工程量較大，投資較高。

2.5 圓弧翼墻(八字墻)底板連接鋪蓋防滲+護(hù)坡導(dǎo)流

這種結(jié)構(gòu)型式與型式③在外觀上類似，區(qū)別在于鋪蓋底板向兩側(cè)延伸至擋土墻前趾并做止水連接，形成一個(gè)穩(wěn)定的封閉防滲體，鋪蓋兩側(cè)上方的三角區(qū)護(hù)坡僅起導(dǎo)流作用。當(dāng)采用這種方式布置水閘時(shí)，由于三角區(qū)回填土不易壓實(shí)，護(hù)坡應(yīng)盡量采用預(yù)制塊或其他抗變形能力強(qiáng)的護(hù)坡型式。

這種結(jié)構(gòu)型式具備型式③的所有優(yōu)點(diǎn)，并且鋪蓋段的防滲效果更有保障。但是工程量更大，投資更高；擋土墻施工使得上游護(hù)坡只能坐落在回填土上，且邊坡土體不易壓實(shí)，容易產(chǎn)生不均勻沉降；另外，由于鋪蓋兩側(cè)上方做有導(dǎo)流護(hù)坡，對(duì)于鋪蓋來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)了“挑扁擔(dān)”的情況，在中心線位置會(huì)出現(xiàn)彎矩，鋪蓋應(yīng)根據(jù)受力計(jì)算進(jìn)行配置鋼筋。水閘孔徑越大，彎矩越大，故這種結(jié)構(gòu)型式一般用于小孔徑的水閘。

3 整體導(dǎo)流式鋪蓋

“整體導(dǎo)流式鋪蓋”概念已在河南商丘地區(qū)的多座小型水閘中使用，取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。

與矩形槽式鋪蓋不同，整體導(dǎo)流式鋪蓋除了具有防滲、擋土的作用，還兼具導(dǎo)流功能，建成之后在外觀上與文中型式③、型式④類似。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1(a、b、c) 整體導(dǎo)流式鋪蓋設(shè)計(jì)示意圖

整體導(dǎo)流式鋪蓋上游端連接護(hù)坡、護(hù)底，斷面與河道設(shè)計(jì)斷面相同。下游端連接閘室，為矩形斷面，凈寬與閘室總凈寬相同，并與閘室做止水連接。中間典型斷面為漸變段，從上游到下游，護(hù)坡高度不斷降低，邊墻高度不斷加深，形成一個(gè)三角坡，其垂直水流方向的坡度與上游梯形河道的設(shè)計(jì)邊坡一致。值得一提的是，若采用此種結(jié)構(gòu)型式，在基坑開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)按照設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行開(kāi)挖，盡量使包括三角坡在內(nèi)的整個(gè)底板坐落在原狀土上，并且，三角坡與底板組合為一個(gè)整體的折線式底板應(yīng)同步施工。

以完建期為例對(duì)整體導(dǎo)流式鋪蓋進(jìn)行受力分析，鋪蓋上游端是一個(gè)完全坐落在原狀土上的折線底板，自重應(yīng)力直接傳遞到地基上，結(jié)構(gòu)本身基本不受內(nèi)力。

下游端是矩形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)邊墻承受土壓力而產(chǎn)生彎矩，墻底處彎矩最大。底板承受邊墻傳遞下來(lái)的結(jié)構(gòu)自重和地基反力，對(duì)于矩形槽結(jié)構(gòu)，底板端部基底應(yīng)力大于平均基底應(yīng)力，端頭應(yīng)力較大，跨中應(yīng)力趨于均布。但對(duì)于小型水閘，可以按照倒置梁法簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為地基反力均勻的作用在底板上。在完建期計(jì)算工況下，地基反力對(duì)底板產(chǎn)生的負(fù)彎矩與兩側(cè)邊墻傳遞至底板的彎矩方向相反，故底板的彎矩與跨徑、墻底彎矩大小有關(guān)。當(dāng)跨徑較小時(shí)，底板中心不會(huì)產(chǎn)生負(fù)彎矩，底板最大彎矩值位于兩側(cè)，大小與墻底彎矩接近，底板的底層為受拉面。隨跨徑的增大，跨中負(fù)彎矩逐漸增大，底板中心上表面為受拉面，兩側(cè)的受拉面仍在底層。

除了上、下游兩個(gè)端面外，整體導(dǎo)流式鋪蓋的斷面型式為折線型。承受側(cè)向土壓力的只有邊墻，其形狀為三角形。底板兩側(cè)的三角區(qū)與上游河道邊坡坡度一致，而河道自然邊坡一般較緩，故三角區(qū)一般不會(huì)產(chǎn)生側(cè)向土壓力，而是與底板一起形成一個(gè)整體的折線式底板共同承受地基反力。相對(duì)于矩形結(jié)構(gòu)而言，由于邊墻高度小，土壓力明顯減小，按照非粘性土計(jì)算，土壓力合力僅為同等長(zhǎng)度矩形槽的1/3，而水閘作為一個(gè)蓄水建筑物，兩側(cè)填土一般都采用粘性土，粘聚力的存在使回填土頂部一定高度范圍內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生側(cè)向土壓力，這樣就使土壓力減小的比例更大，即土壓力合力不足同等長(zhǎng)度矩形槽的1/3。另外，由于邊墻高度的減小，土壓力合力距離墻底的力臂高度也在減小，故可以大大降低墻底彎矩。

相對(duì)于矩形槽結(jié)構(gòu)，整體導(dǎo)流式鋪蓋由于墻高的減小，降低了墻體自重，而折線式底板承載面積卻是增加的，這就使得基底應(yīng)力較小。另外，由于底板形狀類似一個(gè)倒置的拱，所以承受的地基反力并不會(huì)全部轉(zhuǎn)化成跨中彎矩，而是會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生壓力，這正好利用了混凝土結(jié)構(gòu)抗壓能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，減小了跨中彎矩值。

綜合以上分析，相對(duì)于矩形槽鋪蓋，整體導(dǎo)流式鋪蓋的結(jié)構(gòu)內(nèi)力明顯減小。從上游到下游，邊墻及底板的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。不過(guò)由于它是一個(gè)整體構(gòu)件，上游端的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值不會(huì)是零，下游端的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值也不會(huì)達(dá)到與矩形槽相同。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋時(shí)，上游端面附近按照構(gòu)造要求配筋即可，下游端面附近可按照矩形槽結(jié)構(gòu)計(jì)算的內(nèi)力值進(jìn)行配筋，以確保工程安全。

與其它集中結(jié)構(gòu)型式相比，整體導(dǎo)流式鋪蓋的優(yōu)點(diǎn)顯著。與型式①相比，墻后填土易于壓實(shí)，降低了發(fā)生側(cè)向繞滲的風(fēng)險(xiǎn)。與型式②相比，不需專設(shè)導(dǎo)流段，減小了水閘總體布置長(zhǎng)度；工程量小，投資少；結(jié)構(gòu)內(nèi)力比矩形槽結(jié)構(gòu)顯著降低。與型式③相比，不僅縮短了水閘的布置長(zhǎng)度，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性也更好；與型式④相比，整體導(dǎo)流式鋪蓋的防滲體全部坐落在原狀土上，避免了邊角區(qū)回填不密實(shí)產(chǎn)生的影響，防滲更有保障；工程量小，投資較少。與型式⑤相比，塢工工程量及土方開(kāi)挖量都有明顯減少，節(jié)省投資，并且避免了對(duì)上游護(hù)坡的影響?？梢哉f(shuō)，整體導(dǎo)流式鋪蓋是型式④的升級(jí)版，是型式⑤的優(yōu)化版。

當(dāng)然，整體導(dǎo)流式鋪蓋也有一些缺點(diǎn)，在臨近閘室端，跨中仍會(huì)產(chǎn)生彎矩，故不適用于跨徑較大的水閘；另外，由于結(jié)構(gòu)的斷面尺寸是漸變的，給配筋圖的繪制、鋼筋的下料、模板的加工都帶來(lái)了一定的麻煩，造成了設(shè)計(jì)、施工的困難。

4 結(jié)語(yǔ)

任何一種結(jié)構(gòu)型式都有其優(yōu)缺點(diǎn)和最佳適用條件，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)認(rèn)真分析、計(jì)算，選擇最合理的結(jié)構(gòu)型式。對(duì)于土基上的小型水閘來(lái)說(shuō)，整體導(dǎo)流式鋪蓋相比于傳統(tǒng)的鋪蓋段型式有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，是值得借鑒和推廣的。金無(wú)足赤人無(wú)完人，希望廣大水利工作者能夠在以后的工作和實(shí)踐中，進(jìn)一步完善整體導(dǎo)流式鋪蓋的結(jié)構(gòu)型式，讓它更加科學(xué)、合理、實(shí)用。