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1、J IA N G S U WA T E R R E S O U R C E S2 0 0 3 . No . 9 干建忠 1 设计标准和基本资料 I 工程等级和标准 太湖流域湖西引排常州新I Y 1 防 洪控制_ 程是太湖流域武澄锡西控 制线 _ 的土 要控制1 程. 位于常州市 新闸镇境内苏南运河上。 常州新闸工 程为n 等工程，卞 要建筑物节制闸按 2 级建筑物设计，其它按 3 级建筑物 设计， 故沉井按2 级建筑物设计 12设计水位 常州新IV 防洪控制工程土要特 征水位如下:上游历史最高水位 5 . 9 8 . ; 上 游规划水位5 . 3 8 . ; 下游常 州警戒水位4 . 3 0
2、. 结合本工程实际 情况设计水位组合见下表 节制闸设计水位组合表 上游水位 1 1 ) 卜 游水位 L ,n 7禁) 备注 5 3 84 . 3 01 . 0 8 设计工况 5 . 9 84 _ 3 04 1 01 . 6 9 校核 1 _ 况 黄色重粉质壤土， 室内试验垂直渗透 系 数1 0 “ . 1“ , 2工程设计 2 . 1 主要尺寸的确定 浮箱门所承受的水压力 均传给两 侧 岸墙， 若采用常规结构， 岸墙的 稳定 很难满足，加之闸址位置两侧地形所 限， 不能采用大开挖， 为此选定沉井作 岸 墙的结构方案 沉井卞 要承受外力为水压力 ( 顺 流向) 和土压力( 垂直流向) 1 经验算
3、， 沉井平面尺寸主要由侧向防渗及闸 底板防渗长 度决定 沉井t( 顺流向) 取2 0 .; 考虑北侧机场路临时改道 1 程量尽可能少， 沉月 一 宽( 垂直流向) 取 1 2 . 。由于0 1 塘内 土 方系 水下 开挖， 最 深可能达高 程一 3 . 5 n , 以 下， 考虑以 上 囚素及为与闸室底板下防渗钢板桥衔 一 I . 5 .以上井壁厚取0 . 8 - , 沉井为孔 格 式， 顺水流向分为4 格 垂直水流向分 为2 格， 隔 墙 厚 为。G n , 山于沉井高度较大， 且要作为浮 箱门的 边墩， 上设门轨， 囚此施工 精 度要求较高， 采取三次制作两次 卜 沉 的方案 第一次制作高
4、 度8 . 5 . 下沉 到位时，底高程控制在一 55 .以 上、 ， 第二次制作高度3 . 5 献下沉到 位时， 底高程达 一1 0 . 0 .) , 进行水 厂 混凝土封底 待 封底混凝土达到强度 后， 再将沉1 内水抽干， 绑扎钢筋， 进 行结构封底， 最后接高至设计标高， 以此进行下沉稳定计算。 沉井N il 面图 见图1 、 图2 2 . 2下沉施工方法 由于沉井要穿过粉砂、 极细砂十 层， 涌水量很大， 为防止因在沉井内 朋书 上 门脚4 1 0 13工程地质 场地区面 高程在6 . 5 n左右， 钻 探深度范围内 所揭示的土层， 层为 堆填或耕作上层 此外， 苏南运河河 底为浅灰
5、色轻粉质壤上或重粉质砂 壤十，一 般厚0 . 5 一 2 . 1 ,n ， 为近代河 流冲积其下 层为灰黄、 揭黄、 棕 黄色粉质粘土、 粘十. 含铁锰质结核 ( 斑 ， 层厚0 . 6 一 5 . 5 - 层为灰 黄、 棕ft 色重、中粉质壤土，层厚 0 . 6 一 I . 5 m (药I ( S 层为上部承 压水层，同时也是IM底板的持力层， 该层为粉砂、 极细砂十， 宝内渗透试 验垂直渗透系数为 1 0 - 0 c m / s ， 具中等 透水性， 层底高程在一 1 5 . 5 m左右。 层为灰、 灰黄色粉质粘土、 重粉质 壤 1 ， 层厚5 . I 一 7 . 8 rn， C , 2
6、层为 下部承压水层， 灰sa 色轻砂壤土， 棕 0 i m 4 器工不预 互画 Wi l l 囚 u . 一 1知 ”又几 n 尹 一飞气夕 荤 尸 l n ”, . u o 件伙以 e- p a n 板桩 保护钢柯 OC0 补 芍 比 少 水不沌筑 t Z 口瓜脸十 L “卜 11 . 1 一 _ 4 1 一 . “ Al 一 4 5 0 一 1 1 2 0 1 i h o 一 . 图 I 沉井纵剖面图单位 : 二 理 接的 要求. 沉井底高 程取一 M O n , 根据以 往经验， 井壁的 厚度并 不根 据9 纠 勾 受力的 需要而 是权据沉井下 ),?f的 要求， .高 程一 7 . O
7、 n以 下 井壁 厚取1 . 2 n 高程一 1 . 5 以卜 井壁厚取1 . On, 高程 排水而产牛流砂， 破坏地基， 沉井下 沉必须采用不排水下沉法施工 此外， 沉井位于岸边下沉施 土 _ 时沉井临背水面所受的压力不均衡. 可能会发生歪斜或偏沉为保证下沉 万方数据 2 0 0 3年第 9期江苏水利 娜翻姗数业 图 2沉井横剖面图竿位: 。 n 精度， 考虑采取筑岛 施上 _ 的方 法. 即 在沉井外围5 。 飞 左右的何中打钢板桩 围堰， 围 堰内填上至预制场面高程井 压实， 以平衡两侧的压力， 再进行下 沉施五 ， 经证明 此措施是有效的 2 . 3 4 1 定计算 231 整体稳 定
8、计算 因为 沉井同时承受两个方向( 顺 流向飞 垂直流向) 荷载作用， 沉井的稳 定按 下 式计算 计 值， k 1 . ; t 份砖垫架底部长度， m ; fl -砂pf 层的压力扩散角，取 2 2 . 5 0 a 经日 算， 砂垫层敷设厚度h 。 ， 按构造要求取s o - , 宽度取2 . 5 . ( 2 ) 下沉安全系数计算 式中: K 一 U _ RT + R P o. = A C * 半 t黔 式中: E G 一 沉井总重力A N ; EM., FM, 作用在沉井 _ 的全部竖向和水平向荷载对于基底 形心轴二 、 y 的 力矩, k N ， ; W 、 W 、 沉井基底面对该底 面
9、形心轴的截面矩 m ， 稳定计算卞要考虑二种计算 1 _ 况: ( 1 ) 闸门 不关闭， 河道内水位为 最 低通航水位( 水位高时对稳定计算不 控制) : ( 2 ) 运行期( 挡水设 计水位) ; ( 3 ) 运行期( 挡水校核水位、 。 经i 算， 三种工况条件 卜 沉井稳定均满足要 求 232 施工计算 ( 1 ) 砂垫层计算 由十沉井制作时，开 挖至高程 2 . 0 . , 位于， 层土上， 地基承载力 高， 不设垫木， 采用砖垫架 砖垫架底 宽2 . 2 0 ， 砂华层厚度计 算采用如下 K 一沉井下沉安全系 数; Q 一沉井自 重及附加荷重, k N ; R -被井壁排出的水量,
10、 k N ; T -沉井与土问的摩擦力， k N ; R 刃脚反力， k N 1 二 U ( f i 一 2 . 5 ) f 式中: U -沉井周长 叫 H 一沉井总入土深度， 明 f 一 一 沉井井壁与土的摩擦系数 即 单位II G 积的 摩擦力的加权平均值 k P a , 按 水闸设计规范 取偏小值 ( 3 ) 下沉稳定系数计算 、 饭不 GK , _ R , + R , + R , 公式 G / f - L2 tg fl 式 巾b - L + 2 h 吵 h -砂垫层厚度， ， 1 1 ; L -砂垫层宽度， 明 G 一沉井第一节单位民度的重 力， k N / m; ( 一砂垫层底部土层
11、的承载力设 式中: K , -沉井下沉稳定系数; G -沉J 卜 总 重力， k N ; R , 沉井外壁摩擦力的总和， k N; R刃脚踏面及斜面下土的 支承力， k N ; a : -沉井内部隔墙和梁底下 上的支承力， k N 经计算， 若第节沉井一次 卜 沉 至一 55 。 ，刃脚斜而 卜 土方挖空， K 二 K二 1 . 4 8 1 一 2 5 ， 沉井能顺利卜 沉， 但稳定不满足要求， 更不能进行 接高作业。 因此将第 一 节沉井下沉至 - 4 . 0 . ( 此时K二 2 . 1 9 )时暂停沉井 中挖上作业， 使其靠自 重下 沉到位 ( K= 0 . 6 5 9 1. 0 , 说
12、明还处丁 卜 沉状态， 稳定不满足要求。考虑到计 算时以防止超沉、 突沉为主要控制指 标， 井雄与土壤间摩擦系数取偏小 值， 若取稍大点的参数， 则刃 脚踏面 及斜面卜 十方全部 挖空， K ， L O 是 能满足要求的。 若仅考虑刃 脚斜面下 土方全部挖空. 则k 。 二 0 . 9 7 1 . 0 . 沉 井可处于稳定状态， 满足要求 为此 要求当沉井下沉至接近设计标高时 应放缓挖生 _ 速度， 注意保留刃脚踏面 下土方。 同时为防止意外超沉、 突沉， 在上部井壁_ L 预留穿枕木的孔洞， 以 备 超沉时采取措施之备用。 实际施1 几 时挖土方法得当， 沉井 ; 沉顺利， 未 发生超沉事故
13、。 2 . 4 封底计算 2 . 4 . 1 素混 凝土封底 素混凝土封 底厚度h 按下 式计算 一 行 _ n气了 一+n 一 V I d : 式中: x安全系数， 按抗拉强度计 算的受压、 受弯构件为16 5 ; M 板的最大弯知，N n o 1 ， 按四 边简支的双向板计算( 荷载取其 底水压力) ; h - 板宽， 一般取 1 0 0 0 . . , ; f -混凝土抗拉强度设汁 值， M P a , C 2 5 混凝十取 1 . 3 M P a ; D 考虑水 卜 混凝十可能与井 底泥土掺混的增加厚度，一般取 3 0 0 一 5 0 0 - ， 此处取5 0 0 . . 经计算 板的
14、最大弯矩为9 0 . 7 k N“ .所需混凝十厚度为1 . 3 1 . , 考虑 基 底浮淤对水下棍凝土 封底的影响 较 大， 为策安全， 封底混+4 土总厚度取 1 5 m ， 与刃 脚斜面 齐平 2 . 4 . 2 结构封底 1 _ 程建成后， 沉井 卜 _ 部需建控制 楼等建筑物 ( 一 程实施过程中卜 部增 建了一座钢质人行便桥) . 为安全， 加 血 万方数据 J IA N G S U W A T E R R E S O U R C E S2 0 0 3. No . 9 设一 层结构封底， 厚度8 0 ,。 板的内 力计算取底板为脱离体， 认为1 t lc 板受 自 重、 填上重、
15、 基底扬压力、 其底反力 共同作用 以此计算配筋 2 . 5井壁结构计弃 25 . 1 底节沉业高度、 强度复核 分别按底 竹 沉J 支承于长边中 点及长 边端点的清况计算底节 沉1 内力、 复核1 ! 强度满足要求 252 刃脚3度计夕 按悬竹梁计算 情况 1 : 当沉井沉到途中， 假定刃 脚内侧已切人十中l m , 验算刃脚囚受 J 卜 内十 体的 横向土压力而向外挠曲 清 况2 ; 当 沉井已沉到设计标高， 刃脚下的十 体全被挖空时， 验算刃 脚 因受井外 侧土力 而向内 挠曲 将沉并截面作为水平框架计算 其内力， 作用干9 1 脚上的外力与 计算 向内挠曲时相同， 并乘分配系数作为 枢
16、架的外力， 再按水平 框架计算。 2 . 53 井 壁强度验算 () 刃 脚根部 段井欲强度验算 位十刃脚根部以上一倍井壁厚 度的 一 段# # 壁， 是刃脚悬臂梁的固支 端， 故除承受作用于该段上的水、 土 压力之外. 还承受山刃脚垂直方向传 来的荷载 ( 即刃脚向内挠曲时的根部 剪力) ( 2 ) 其佘部位井壁强度验算 按井壁截面变化， 将井壁分成数 段. 权据最不利位置， 将井壁视为水 平而内的 框架， 从而计 算其内力 26 沉井 七 止水保护钢构设计 沉井 1 _ 比 水设计常采用将止水 一 半预 埋在 沉井) 壁 之中. 另一 半梢 f ff 直，留在沉井壁外. 止水下部ix 置
17、保护承托 待沉井下沉到位， 十方开 挖后再将止水Tm r , 理顺后浇人底板 内 本 I .程后续工作须全部由 潜水员 水 卜 完成. 施耳 _ 难度很大， 考虑沉井 井壁的厚度是根据沉井下沉的要求 确定， 壁厚较大， 为此将止水整体放 人沉井井壁内. 并在止水位置设计了 可拆卸的1 卜 水保护钢构， 止水保护钢 构保护庄 水铜片随沉井下沉， 下沉到 位后由潜水员配合进行水下拆卸 此 外考虑不排水下 沉时， 沉) 几 终沉位置 并不定很准确， 根据沉井施 1 _ 允许 误差范围， 上下共设置了四道1 卜 水， 以确保在施工允许误差范围内始终 能有2 道1 卜 水有效， 确 保止水效果 I 水保
18、护钢构详见图3 27钢板桩 与沉井的联接设计 本 1一 程中r. : 直防渗体系采用水 卜 打防渗钢板桩( 干 立 森1 11 F ? ) , 困难之 处在于如何解决钢板桩与沉井的联 接 经比选采取在沉井 卜 预理半片钢 板机方案， 半片钊板桩随沉并下沉， 其 余板桩与之榨接。为 防止半片 钢板桩 在沉J 沉过程中产生人的变形甚至 拉坏. 对钢板桩增设保护措施 在板桩 背面焊接支撑劲板以增加板桩刚度， 同时在板桩两 侧设置保护钢构以防 止 沉井 下沉倾斜、 扭转而产生的土 压力 呀 致半片板桩的 损坏，同时也作为 桦 接不成功后进行压力灌浆的灌桨槽 ( 预案)实际施 L 时， 桦接效果良 好，
19、 钢板桩保护措施详见图4 沉安个及万 沉稳定i 于 算中井壁的1 - 位除阻力取偏小值是介理的， 也 更便 于 _ 程实施 承受不对称荷载才 、 排水 下沉的沉井， 在施r 中采取钢板桩II I 堰筑岛的施 1 措施.经证明是有效 的。对新的结构. 设计过程中应充分 考虑施工 中可能出现的不利情? Y , 选 择合适的技术方案及顶案是 一 分必 要的， 本丁程设计中沉J 上止水保护 钢构及防渗钢板桩“ J 沉井的连接措 施， 经实践证明足成功的_ 参考文献: U1江苏省水利勘测设计研究院等 水闸设计规范第 I 版中国水利 水电出版社， 2 00 1 2 1 张世儒， 夏维城水IPA 第2 版
20、水利电力出版社， 1 9 8 8 图 3 沉并止水及保护钢构大样图单位: 。 混凝土 幽 图4 板桩与沉井连接处大样图单位: m m 3 结语1 3 1 . 公路桥涵设计手册 编写组. 墩 常州新IM防洪控制 r : 程已通过台 和基拙第1 版人民交通出版 工程竣工初验. I 程质量为优良社， 1 9 8 7 由于沉1 1 的 沉过程中主要是1 4 1汪正荣 地基与 基k l; 施 L手册 防止其超沉. 突沉， 在不排水 卜 沉时，第1 版中国 建筑工 业出 版社， 1 9 9 7 山 十较难有效控制底部挖土， 预防 超( 作者单位: 省太湖水利设计研 沉、 突沉显得尤为重要， 实践证明 究院2 1 5 1 2 8 ) 万方数据