顶撑式拉锚地连墙在船闸闸室中的应用

钱祖宾，沈建霞，单海春

顶撑式拉锚地连墙在船闸闸室中的应用

钱祖宾1，沈建霞2，单海春1

（1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏扬州 225009；2.江苏省交通科学研究院股份有限公司，江苏南京 210017）

为确保泰州引江河二线船闸施工期间一线船闸的安全，选用了拉锚地连墙结构，并利用闸室底板设置顶撑，以改善闸室结构的受力状态。文章对拉锚地连墙的结构特性和受力特点进行介绍，并对其计算方法进行了探讨，以期为类似结构的设计提供参考。

船闸工程；顶撑式拉锚地连墙；施工期荷载；运用期荷载；荷载效应

1　船闸结构设计

泰州引江河二线船闸位于已建一线船闸西侧70 m处，与一线船闸平行布置，设计通航标准为Ⅲ级航道，闸室有效尺度为230 m×23 m×4 m，其平面布置如图1所示。

图1　船闸平面示意图

根据工程设计功能要求，二线船闸的设计与施工不得影响一线船闸的正常运行和安全。地质勘探表明，场区地基土层多为砂壤土和粉砂，渗透性较强，渗透稳定性较差，地基土层具有较强的水平渗透性，而垂直渗透性相对很弱，直接影响了基坑降水的效果。一线船闸施工时曾出现基坑降水困难的情况，当基坑开挖时，砂土层中的潜水和承压水沿壤土薄层层面产生水平渗流，并由基坑开挖临空面溢出，而导致基坑开挖面大量流沙，造成基坑边坡的大面积滑塌。由于一、二线船闸相距较近，为避免类似情况对一线船闸运行与安全产生不利影响，本工程闸室结构选用拉锚地连墙结构。由于闸室挡土较高（10.5 m），故利用闸室底板设置了墙前顶撑以改善闸室地连墙的受力条件。墙前顶撑高1.2 m，宽1.0 m，间距4.6 m，如图2、图3所示。

图2　闸室结构立面图

对本工程来说，闸室地连墙既是闸室永久的承载受力构件，又是闸室施工期基坑支护和基坑防渗的一部分，综合功效较为显著。一方面可以利用拉锚地连墙的支护作用对闸室内土方实施垂直开挖以减小基坑开挖断面，另一方面可以利用地连墙的截渗功能截断外围地下水向闸室基坑的水平渗流通道，迫使地基产生垂直绕渗以延长渗径、减小水力坡降。此外，闸室地连墙与墙后多头小直径水泥搅拌桩可共同构成闸室基坑防渗体系，以便对闸室墙前、后地下水位进行分级控制，以维持一线船闸墙后水位的相对稳定，如图4所示。

图3　闸室平面布置图

图4　闸室基坑防渗布置图

2　施工流程

本工程闸室结构施工流程为：闸室基坑第一次开挖→闸室地连墙与锚碇结构施工→拉杆安装→墙后一次回填→闸室基坑二次开挖→闸室底板施工→墙后二次回填。

为有效控制施工期结构内力和位移，墙前顶撑形成之前，墙后一次回填不宜太高，一般回填至锚碇承台面高程即可。

3　结构计算

拉锚地连墙结构内力按竖向弹性地基梁法计算，采用整体建模，按杆系有限元法进行求解。

3.1计算模型建立

根据闸室地连墙施工流程及结构特性，当闸室底板浇筑前，闸室结构为单一的拉锚地连墙结构，如图5所示；闸室底板浇筑后，由于闸室底板的顶撑作用，闸室结构由单一的拉锚地连墙结构转化为顶撑式拉锚地连墙结构，如图6所示。由于闸室底板为钢筋混凝土结构，为弹性体，其顶撑作用可按弹性杆件考虑（如图6中的K0）。由于2个时期结构受力体系的不同，结构受力分析需分期建模、分别计算。

闸室底板的顶撑作用主要体现在运用期，这是因为闸室底板浇筑前，闸室结构在施工期荷载的作用下已处于受力状态，其结构内力和变形不会因为闸室底板的浇筑而消失，闸室底板浇筑后，随着闸室作用荷载的变化，闸室底板作为闸室受力体系的一部分而共同受力，因此，闸室地连墙运用期荷载效应Sy应为施工荷载效应SS与运用期荷载增量所引起的荷载效应ΔS之和：

式中：Sy为运用期闸室结构的荷载效应；SS为施工期荷载引起的荷载效应；ΔS为运用期荷载增量引起的荷载效应。

运用期荷载增量是指运用期作用荷载与施工期作用荷载之差，主要包括墙后土压力增量Δea以及剩余水压力增量Δew。

式中：ea-y、ea-s分别为运用期和施工期的墙后土压力标准值；ew-y、ew-s分别为运用期和施工期的剩余水压力标准值。

图5　施工期闸室结构计算简图

图6　运用期闸室结构计算简图

3.2荷载分析

闸室地连墙主要作用荷载有墙后土压力、剩余水压力及地面荷载引起的土压力等。墙后土压力ea及地面均载引起的土压力eaq可按规范［1］中的有关公式计算。

剩余水压力指闸室地连墙两侧水压力之差，其强度分布与闸墙前后的水位变化、地基土层分布及其渗透性能有关。当地基土层为透水性土层时，则应考虑地基渗流对剩余水压力分布的影响［2］。剩余水压力强度可按下式计算：

式中：γw为水体的重度；Δh 为闸墙两侧的水头差，对于透水地基应计入地基渗流对渗透水头的影响。

3.3模型参数的确定

模型参数主要包括结构尺寸模型参数和地基特性模型参数。

（1）结构尺寸模型参数。

结构尺寸模型参数主要包括模型杆系的截面尺寸及墙前撑梁的弹性系数K0等。模型结构的计算宽度通常取单位宽度1.0 m。

闸室地连墙和锚碇承台为连续结构，故地连墙和锚碇承台截面尺寸按结构实际尺寸取用即可；拉杆、锚碇桩及墙前撑梁呈分离式间隔布置（如图3所示），需按单位宽度进行换算。

拉杆为正截面受拉构件，可按等截面进行换算：

式中：d0为拉杆的换算直径；d为拉杆的设计直径；la为拉杆的间距。

锚碇桩则为弯压构件，可按等刚度进行换算：

式中：D0为锚碇桩的换算直径；D为锚碇桩的设计直径；lb为锚碇桩的纵向桩距。

墙前撑梁的弹性系数K0可按下式计算：

式中：K0为混凝土撑梁的弹性系数；EC为混凝土撑梁的弹性模量；AC为混凝土撑梁的截面面积；L0为混凝土撑梁的计算长度，由于闸室墙为对称结构，撑梁在轴向力作用下的变形零点位于撑梁的中截面上，则有L0= L/2， L为撑梁长度；lC为混凝土撑梁的间距。

（2）地基特性模型参数。

地基特性模型参数主要是指地连墙和锚碇桩弹性杆件的弹性系数，可按下列公式计算：

式中：ki为地连墙第i根弹性杆件的弹性系数；k'i、k''i分别为施工期和运用期锚碇桩第i根弹性杆件的弹性系数；m、m'分别为地连墙和锚碇桩水平地基反力系数随深度增大的比例系数；ΔZ、ΔZ'分别为地连墙和锚碇桩弹性杆件的间距；Zi为地连墙第i根弹性杆件距泥面的深度；Z'i、Z''i分别为施工期和运用期锚碇桩第i根弹性杆件距泥面的深度；b为锚碇桩的计算宽度。

4　算例分析

4.1设计模型与参数

本工程闸室净宽23.0 m，闸室结构为拉锚地连墙结构，墙顶高程△6.0 m，拉杆高程△2.5 m，闸底板面高程△-4.5 m；地连墙厚80 cm，拉杆直径d = 70 mm，拉杆间距la= 1.5 m；锚碇桩采用钻孔灌注桩，桩径D = 1.2 m，纵、横向间距均为lb= 3.6 m；闸室底板采用钢筋混凝土梁格结构，其中，横梁兼作闸室地连墙顶撑梁，长度L = 24.0 m，间距lc= 4.6 m。闸室施工期与运用期计算模型如图7～图9所示。

图7　施工结构模型与荷载分布图

图8　运用期结构模型与荷载分布图

图9　运用期结构模型与荷载增量分布图

图7为施工期结构计算模型，墙后分布荷载为施工期墙后主动土压力ea-s与剩余水压力ew-s之和；图8为运用期结构计算模型，墙后分布荷载为运用期墙后主动土压力ea-y与剩余水压力ew-y之和；运用期荷载增量Δe为运用期荷载与施工期荷载之差，Δe =（ea-y+ ew-y）-（ea-s+ew-s），如图9所示。

拉杆的换算直径d0按式（4）计算：

锚碇桩的换算桩径D0按式（5）计算：

撑梁混凝土的强度等级为C25，其弹性模量Ec= 2.8×107kN/m2；撑梁的截面积Ac= 1.0×1.2c=1.2 m；由于闸室结构为对称结构，则 L0= L/2 = 12.0 m，混凝土撑梁的弹性系数K0按式（6）计算。

地基各弹性杆件的弹性系数ki、k'i、k''i可根据各弹性杆距泥面的深度及相应土层的土层特性按式（7）、（8）、（9）进行计算。

4.2闸室内力计算

闸室结构内力计算主要包括地连墙内力、拉杆拉力及锚碇结构内力的计算等，本文侧重于墙前顶撑对闸室地连墙弯矩的影响分析。

施工期荷载产生的结构弯矩如图10所示，运用期荷载增量产生的结构弯矩如图11所示；运用期荷载产生的结构总弯矩如图12所示，即施工期荷载所产生的结构弯矩与运用期荷载增量所产生的结构弯矩之和。由图12可知，地连墙运用期最大弯矩为501.9kN·m，与施工期最大弯矩呈“错峰”分布。

图10　施工期荷载产生的结构弯矩图（单位：kN·m）

图11　运用期荷载增量产生的结构弯矩图（单位：kN·m）

图12　运用期荷载产生的结构总弯矩图（单位：kN·m）

不考虑墙前顶撑时闸室运用期结构模型与荷载分布图如图13所示，其结构模型荷载分布分别如图7、图8所示。由于不考虑墙前顶撑作用，施工期与运用期具有相同的结构计算模型，运用期结构内力可根据运用期作用荷载直接计算，无需进行荷载增量的拆分和结构内力的叠加，其结构弯矩如图14所示，地连墙运用期最大弯矩为742.0 kN·m。

计算结果显示，在闸室地连墙作用荷载相同的情况下，设置墙前顶撑，地连墙运用期最大弯矩较不设置墙前顶撑可减小240.1 kN·m，减幅约为32%。此外，设置墙前顶撑，闸室结构运用期拉杆拉力和墙顶位移等也均有不同程度的减小，如表1所示。

图13　运用期结构模型与荷载分布图（不考虑顶撑）

图14　运用期荷载产生的结构弯矩图（不考虑顶撑）

表1　闸室结构计算成果

5　结语

本文侧重介绍了拉锚地连墙在结构受力、基坑支护及地基防渗方面的综合功能，阐述了顶撑式拉锚地连墙的结构特性和受力特点，并对顶撑式拉锚地连墙的计算方法进行了探讨。根据工程算例分析，利用闸室底板设置墙前顶撑可以有效改善闸室结构的受力状态，有利于提高结构的承载能力和对结构位移的控制。

［1］JTS167-3—2009板桩码头设计与施工规范［S］.

［2］钱祖宾，沈建霞，乔婷.地基渗流对板桩码头剩余水压力的影响分析［J］.水运工程，2013（5）：157-162.

［3］JTJ305—2001船闸总体设计规范［S］.

［4］JTJ307—2001船闸水工建筑物设计规范［S］.

［5］JTJ248—2001港口工程灌注桩设计与施工规程［S］.

［6］JTS144-1—2010港口工程荷载规范［S］.

［7］韩理安.港口水工建筑物［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［8］顾民权.海港工程设计手册［M］.北京：人民交通出版社，1997.

Application of Ahchored Sheet Pile with Bottom Beams in Ship Lock Chamber

Qian Zubin1， Shen Jianxia2， Shan Haichun1
（1. Jiangsu Water Investigation， Design and Research Institute， Yangzhou 225009， China；2. Jiangsu Transportation Institute， Nanjing 210017， China）

To ensure the safety of first line lock during the construction of second line lock of Yingjiang river in Taizhou city，anchored sheet pile is applied as the lock chamber to decrease the height of the excavation pit. At the same time， bottom beams are applied on the baseboard of the lock chamber to improve the stress state. The paper introduces the structure and mechanical characteristics of anchored sheet pile with bottom beams， the calculation methods are also introduced， which can be taken as reference for the same structure design.

ship lock； anchored sheet pile with bottom beams； construction load； load in service； load effect

U641.31

A

1672-9889（2015）01-0066-05

钱祖宾（1963-），男，江苏如皋人，高级工程师，主要从事水工结构工程设计工作。

（2014-04-23）