（水利工程专业论文）沉井岸墙结构在新闸防洪控制工程中的应用.pdf

摘要 摘要 太湖流域根据地势情况分为湖西地区与武澄锡地区，两区以武澄锡西控制线为界， 地面高程相差2 m 左右。在太湖流域综合治理总体规划方案中将湖西引捧工程列为 太湖治理十大骨干工程之一。其中，将常州新闸防洪控制工程列为湖西引捧工程的骨干 工程，位于常州市新闸镇境内京杭大运河( 俗称苏南运河) 上 鉴于苏南运河航运非常繁忙，1 9 9 9 年l o 月3 0 日省政府召开了新闸工程的协调会， 明确新闸防洪控制工程以“不设梯级、不碍航、特大洪水断航，预留远景船闸位置”为建 闸原则，要求在不断航施工的情况下，建造单孔净宽6 0 m 跨径的节制闸。 经方案比较并最终经专家论证，选定采用浮箱钢闸门结构型式。作为支承浮箱钢闸 门的两侧岸墙系该工程的主要受力结构。工程需不断航水下旋工，岸墙所受水平力较大， 且承受不对称荷载作用经方案论证和比较，岸墙采用钢筋砼沉井结构，并取得成功。 论文紧密结合工程实际，结合有关文献资料及物模试验成果，从岸墙结构型式选择 及基本假定条件入手，以定量化分析为主要手段，对沉井岸墙的结构选型、沉井稳定、 结构内力等进行了较系统的分析、计算；针对水下施工特点，对沉井细部结构问题进行 了研究。主要内容如下： ( 1 ) 对太湖流域湖西引排新闸防洪控制工程的工程概况、设计背景、工程建设的 必要性、工程控制运用条件、设计基础资料等进行了简要介绍。 ( 2 ) 分析了常规水f 辘岸墙结构类型及应用，对沉井的特点及其应用范围进行了必 要的分析。根据常州新闸防洪控制工程具体特点，对岸墙结构选型进行了必要的分析论 证，提出采用沉井岸墙结构型式。 ( 3 ) 详细介绍了新闸防洪控制控制工程岸墙沉井设计过程，包括：主要结构尺寸 的拟定、利用平面理论对施工期及各工况条件下沉井稳定、结构内力进行了分析计算。 ( 4 ) 根据工程不断航水下施工及基底为粉砂土的特点，介绍了新闸防洪工程沉井 岸墙细部结构优化设计，主要包括沉井井壁上水平紫铜片止水的保护及沉井与闸底板下 防渗钢板桩连接方式的设计内容。 关键词：岸墙、沉井、新闸、防洪、控制工程 a b s t r a c t t a i h ud r a i n a g ea 脱i sd i v i d e di n t ot h eh u x ir e g i o na n dt h ew u c h e n g x ir e g i o nb yt h e h y p s o g r a p h yo f t h ea r e a t h e s et w or e g i o n sa r eb o u n d e db yt h ec o n t r o ll i n ei nt h ew e s to f t h e w u c h e n g x ir e g i o na n dt h eg r o u n de l e v a t i o nd i f f e r e n c eo f t h et w or e g i o n si sa b o u tt w om e t e r s i nt h e “t a i h ud r a i n a g ea r e ac o m p r e h e n s i v et r e a t m e n to v e r a l lp r o g r a m m i n gb l u ep r i n t ，h u x i d i s c h a r g ep r o j e c ti s r a n k e da so n eo ft h et o p1 0k e yp r o j e c t so ft a i h um a n a g e m e n t s s p e c i f i c a l l y ，t h ec h a n gz h o ux i z h af l o o dc o n t r o l l i n gp r o j e c t ，w h i c hi sl o c a t e do nt h e b e i j i n g - h a n g z h o uc n a n dc a n a l ( c o m m o n l yk n o w n 勰s u n a nc a n a l ) w i t h i nt h et e r r i t o r yo f x i 2 1 mt o w ni nc h a n gz h o uc i t y ，i sr a n k e da st h ek e yp r o j e c to f t h eh u x id i s c h a r g ep r o j e c t w h e r e a st h es u n a nc a n a ls h i p p i n gi sv e r yb u s y , 0 1 1o c t o b e r3 0 ，1 9 9 9 ，t h ep r o v i n c i a l g o v e r n m e n th e l dam e e t i n gf o rt h ex i z l mp r o j e c tc o o r d i n a t i o n ，t h er u l eo f b u i l d i n gt h ex i z h a f l o o dc o n t r o lp r o j e c tg a t ew a sc l e a r e da n dd e f i n e d ，w h i c hi s ”n os t e p s ，n ob l o c k i n gt o s h i p p i n g ，s t o p p a g eo f s h i p p i n gd u r i n gt h ed e v a s t a t i n gf l o o d s ，r e s e r v i n gt h el o c a t i o no f s h i p g a t ef o rf u t u r eu s i n g ”，a n dt h ec o n s t r u c t i o no ft h er e g u l a t o rw h o s es i n g l e - h o l es p a ni s6 0 m e t e r si nt h ec o n d i t i o no f n oi n t e r m i t t i n gs h i p p i n gd u r i n gc o n s t r u c t i o nw a sr e q u i r e d b yc o m p a r i n gp r o g r m ma n de v e n t u a ld e m o n s t r a t i o nb yt h ee x p e r t s ，t h es t y l eo fs t e e l b o xf l o a t i n gg a t es t r u c t u r ew a ss e l e c t e d n 峙b a n k - w a l lf o rb e a r i n gt h ef l o a t i n gb o xs t e e lg a t e o nt h et w os i d e so ft h eg a t ew a st h em a j o rf o r c es m 】c t u r c t h ep r o j e c tn e e d e dt ob ek e p to n u n d e r w a t e rc o n s t r u c t i n gb yn oi n t e r m i t t i n gs h i p p i n g ，t h el e v e lf o r c eo ft h eb a n k - w a l lw a s l a r g e ra n da s y m m e t r i cl o a di s e f f e c t e da g a i n s tt h ew a l l a f a rt h ed e m o n s t r a t i o na n d c o m p a r i s o n ，r e i n f o r c e dc o n c r e t ew a l lc a i s s o ns t r u c t u r ew a sa d o p t e da n ds u c c e s s i sa c h i e v e d t h et h e s i sc o m b i n l n e se n g i n e e r i n gp r a c t i c et i g h t l y b yi n t e g r a t i n gt h ea s s o c i a t i n g l i t e r a t u r ea n dt h ed a t ao fm o d e lt e s tr e s u l t s ，f r o mt h es e l e c t i o no fb a n k - w a l ls m m m r et y p e a n db a s i ca s s u m p t i o n ，w i t hq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa st h em a i nm c a l 坶，t h et h e s i sa n a l y s e sa n d c a l c u l a t e st h ec a i s s o nb a n k - w a l ls | 匿u c h h es e l e c t i o n ,c a i s s o ns t a l , i l i 母a n ds t n 】c t m a li n t e m a l f o r c e ss y s t e m a t i c a l l y ；a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co fu n d e r w a t e rc o n s t r u c t i o n ，t h ep r o b l e m s o f c a i s s o n ss t r u c t u r a ld e t a i lw e 犯s t u d i e d t h ef o l l o w i n ga r et h em a i np o i n t s ： 1 ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h eh u x id i s c h a r g ex i n g z h af l o o dc o n t r o lp r o j e c ti sg i v e n ， w h i c hi sc o n c e r n i n ga b o u tt h ep r o j e c t sg e n e r a ls i t u a t i o n ，t h eb a c k g r o u n do fd e s i g n ，t h e n e c e s s i t yo ft h ec o n s t r u c t i o n ，t h ec o n d i t i o nf o rt h ep r o j e c tc e n t r a l l yr u n n i n ga n dt h e i f u n d a m e n t a li n f o r m a t i o nf o rd e s i g n 2 c o n v e n t i o n a lw a t e r - w a l ls l r u c t u r et y p e sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n sa 坞锄瞄恻， n e c e s s a r ya n a l y s i si sm a d ea b o u tt h ec a i s s o nf e a t u r e sa n di t ss c o p eo fa p p l i c a t i o n a c c o r d i n g t os p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h ec h a n g z h o ut h ex i z h af l o o dc o n t r o lp r o j e c ta n dt h en e c e s s a r y a n a l y s i sa n da p p 糟i s a la l em a d ef o rt h eb a n k - w a l ls t r u c t u r es e l e c t i o n ，t 懿t i f , a n gt h a tt h e c a i s s o nb a n k - w a l ls t r u c t u r es h o u l db ea d o p t e d 3 d e t a i ld e s i g np r o c e s so f c a i s s o n - w a l lf o rtt h ex i z h af l o o dc o n l t o lg a t e sc o n t r o lp r o j e c t i sg i v e n , i n c l u d m g ：d e s i g no ft h en l a i l ls t r u c t u r e , a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fc a i s s o n s t a b i l i t ya n dt h ei n t e r n a lf o r c eu n d e rt h ec o n s t r u c t i o na n do t h e rw o r k i n gc o n d 撕锄sb yu s i n ga t w o - d i m e n s i o n a lt h e o r y 4 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e 6 s t i c so ft h ep r o j e c t , w h i c ha 托u n d e r w a t e rc o n s t r u c ：t i o n w h i l en oi n t c r i n i 埘i n gs h i p p i n ga n df u n d a m e n t a ls o i li sp o w d e rs a n d ，o p t i m i z a t i o na n dd e s i g n o f t h es t r u c t u r a ld e t a i l sf o rt h ex i z h af l o o dc o n t r o lp r o j e c t sf i r ei n t r o d u c e d , m a i n l yi n c l u d i n g t h ed e s i g nc o n t e n to f t h ep r o t e c t i o no f t h es i d e so f t h ec a i s s o n - w a l lb yl e v e lc 时p o c yw a t e rs e a l a n dc o n n e c t i o ns t y l eb e t w e e nt h ec a i s s o na n di m p e r m e a b l es t e e ls h e e tp e gu n d e rt h es o l e p l a t e o f t h eg a t e k e y w o r d s ：s h o r e ( b a n k ) w a l l s ，c a i s s o n ，x i z h a ，f l o o dc o n 仃o l l i n g ，c o n u o lp r o j e c t i v 前言 前言 太湖湖西地区位于太湖流域西北部，西以茅山为界，北以长江大堤为界，南以宜溧 山区为界，东滨太湖，东北以一道控制线和武澄锡低片接壤。湖西地区以东为武澄锡低 片，两片地面高程相差2 m 左右。且武澄锡低片东西两翼均为高片，洪涝压力很大。根 据洪涝分开的原则，1 9 8 6 年太湖流域管理局编报的太湖流域综合治理总体规划方案 将湖西引排工程列为太湖治理十大骨干工程之一。其中，将常州新闸防洪控制工程列为 湖西弓l 排工程的骨干工程。工程位于常州市新闸镇境内京杭大运河( 俗称苏南运河) 上。 苏南运河航道等级目前为级，规划为级，航运十分繁忙，根据规定一般不宜设 置水级，因此防洪与水运的冲突不可避免。1 9 9 9 年汛后，为了加快太湖治理进度，省政 府专门召开新闸控制工程建设协调会，从兼顾水利与航运利益出发，明确新闸防洪控制 工程以“不设梯级、不阻航、特大洪水断航，预留远景船闸位置”为建闸原则，要求在不 断航旖工的情况下，建造单孔净宽6 0 m 跨径的节制闸。 工程采用不断航水下施工，经方案比选，并经专家论证，闸门选用浮箱钢闸门型式， 为此须解决支承浮箱门岸墙的结构型式及不断航施工的防渗安全、不断航水下砼施工等 问题。其中浮箱门所承受的水压力全部传给岸墙的结构，其结构型式的确定及计算至关 重要。 本文考虑工程需不断航水下旖工，岸墙所受水平力较大，且承受不对称荷载作用， 受苏南运河航运及北侧机场路及密集的厂房限制，不宜采用筑堰及放坡开挖的特点。经 方案论证和比较，为减少拆迁范围，降低工程投资，减少施工矛盾、缩短工期及减少对 当地社会产生的影响，采用钢筋砼沉井结构，并取得成功。 随着经济的迅猛发展，一方面防洪保安标准逐步提高，另一方面水运事业日益发达， 水利与航运不可避免存在冲突。伴随科技迸步日新月异，设计及施工技术水平不断改进， 大孔径或超大孔径低水头的新型防洪控制工程也会不断出现新的结构型式，其岸墙及其 它分部位的结构型式也应随主体结构型式的变化而变化。本文的设计思路能为今后类似 工程的岸墙设计提供借鉴与参考。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题的背景 太湖流域湖西引摔新闸防洪控制工程位于湖西片与武澄锡片分界线处的京杭大运 河( 俗称苏南运河) 上，是江苏省太湖流域武澄锡西控制线上防止或减轻湖西片高水对 武澄锡低片造成洪涝危害的主要控制工程。工程位于常州境内的新闸镇，德胜河河口连 江桥以东6 6 0 m 。 鉴于苏南运河航运非常繁忙，1 9 9 9 年l o 月3 0 日省政府召开了新闸工程的协调会， 明确新闸防洪控制工程以“不设梯级、不碍航、特大洪水断航，预留远景船闸位置”为建 闸原则，要求在不断航施工的情况下，建造单孔净宽6 0 m 跨径的节制闸。 经上网查阅有关资料，这类工程在我国尚无先例，除要解决闸门型式问题、防渗安 全、不断航水下砼施工的难题，同时还要对节制闸各分部工程的结构型式进行专项设计。 1 1 1 工程建设的必要性 太湖湖西地区位于太湖流域西北部，西以茅山为界，北以长江大堤为界，南以宜溧 山区为界，东滨太湖，东北以一道控制线( 武澄锡西控制线) 和武澄锡低片接壤。湖西 地区以东为武澄锡低片，两片地面高程相差2 m 左右。且武澄锡低片东西两翼均为高片， 洪涝压力很大。根据洪涝分开的原则，1 9 8 6 年太湖流域管理局编报的太湖流域综合治 理总体规划方案将湖西引排工程列为太湖治理十大骨干工程之一。其中，将常州新闸 防洪控制工程列为湖西引捧工程的骨干工程。新闸防洪控制工程位置如图1 1 所示。 苏南运河是太湖流域一条十分重要的水利和航运河道，它流经镇江、常州、无锡和 苏州四个城市，纵贯湖西、武澄锡虞、阳澄淀泖三大水利分区，沿河两侧地面高程从8 m 左右降至3 m ( 吴淞基面，下同) 以下，其中湖西区地面高程最高，一般在6 5 m 至8 m ， 武澄锡虞区在3 5 m 至4 5 m ，局部地区在2 5 m 左右，阳澄淀泖区一般在3 m 左右。在较 大和特大洪水时，湖西高水沿苏南运河长驱直下，先后威胁常州、无锡和苏州大面积地 区的防洪安全。 匝帕憔喇犁否h藜瓤嚣趣匡糖 | i 匝 杈秘掣孙器否-上扑嶷暮 第一章绪论 1 9 9 1 年，湖西发生高强度降雨，洪水沿苏南运河东下，使内涝已十分严重的常州、 无锡、苏州三市雪上加霜，损失惨重。1 9 9 7 年苏南运河整治工程完成后，洪水东压的形 势更为严峻。1 9 9 9 年夏太湖流域发生了特大洪水，太湖最高水位达5 0 8 m ，超过了1 9 9 1 年历史最高水位0 2 9 m ，我省湖西的雨量并不大，3 0 天最大雨量为4 7 5 m m ，比9 1 年3 0 天最大雨量少2 1 8 r a m ，但苏州地区水位全面超历史，无锡和常州地区水位也接近或超 过历史最高水位。据巡测资料，1 9 9 9 年6 月2 8 日苏南运河进入常州境内的最大流量为 3 1 4 m 3 s ，进入无锡境内的最大流量为1 9 2m v s ，均超过了湖西特大洪水的1 9 9 1 年的下 泄流量，常州市区从6 月2 7 日至6 月2 8 日，一天之间从警戒水位4 3 0 m 猛涨到最高洪 水位5 4 8 m ，而在1 9 9 1 年常州水位从警戒水位涨至最高洪水位历时3 天，分析其原因， 除了本地降雨及受浙江西部客水下泄太湖水位抬高影响外，苏南运河拓宽加深后过水断 面积增加了2 至4 倍，湖西高片洪水加快下压、流量大大增加也是重要因素。9 9 年湖西 地区的降雨量远比9 1 年小，若再遇9 1 年的强降雨，后果将不堪设想。 因此，尽快建设新闸防洪控制工程，减轻苏、锡、常三市和武澄锡虞地区的洪涝威 胁是十分必要的。 1 1 2 工程规模 根据1 9 8 7 年国家计委批复的太湖流域综合治理总体规划方案，江苏省太湖水利 设计研究院1 9 9 4 年编制、1 9 9 7 年修订的太湖流域湖西引排工程可行性研究报告中， 确定新闸防洪控制工程规模为2 x 2 0 m 孔宽节制闸和2 3 x 2 3 0 x 2 5 m 船闸各1 座。该报告 已通过国家计委委托的中咨公司的评估【1 1 。 由于工程建在苏南运河上，其航道等级目前为级，河口宽5 8 m ，规划为级，航 运十分繁忙，根据规定一般不宜设置水级，因此防洪与水运的冲突不可避免。1 9 9 9 年汛 后，为了加快太湖治理进度，省政府专门召开新闸控制工程建设协调会，从兼顾水利与 航运利益出发，明确新闸防洪控制工程以“不设梯级、不阻航、特大洪水断航，预留远 景船闸位置一为建闸原则。 根据江苏省交通厅关于对苏南运河新闸临时大孔闸工程意见的函，新闸规模按 预留扩建m 级航道标准进行设计，采用口门宽为6 0 m ，门槛水深为4 0 m 。 1 1 3 工程控制运用条件 新闸防洪控制工程是湖西、武澄锡高低片之间的控制建筑物，其控制运用条件与上 下游之间的关系较大，为便于实际操作，以无锡南门、常州大运河、丹阳大运河三站水 3 河海大学工程硕士学位论文 位作为基本控制运行条件 1 、特征水位及洪水特性 ( 1 ) 警戒水位 根据各地防汛部门资料，无锡防洪警戒水位3 5 9 m ，常州防洪警戒水位4 3 m ，丹阳 防洪警戒水位5 6 m 。 ( 2 ) 设计水位 太湖流域武澄锡地区防洪规划目前尚在进行，按太湖流域综合治理总体规划方案及 相应武澄锡引摔工程完成后对抗御2 0 年一遇暴雨的防洪能力的复核，结合无锡市、常 州市城区及周边地区的实际防洪能力分析，暂定2 0 年一遇无锡设计洪水位4 4 m ，2 0 年 一遇常州设计洪水位5 0 m 根据湖西引排工程可行性研究报告( 9 7 修订本) 丹阳大运河2 0 年一遇设计洪水 位为6 5 m 。 ( 3 ) 水位涨率 根据1 9 9 1 年和1 9 9 9 年实测资料分析，在洪水位上涨过程中，无锡南门洪水位上涨 速度为每小时0 0 2 0 0 4 m ，常州大运河洪水位上涨速度为每小时o 0 4 m 左右，丹阳大 运河洪水位上涨速度为每小时0 0 6 0 0 8 m 。 ( 4 ) 洪水传播时间 据分析，在较大洪水时，新闸关闸或开闸，对丹阳洪水位产生影响的时间一般为2 6 小时，对常州洪水位即刻产生影响，对无锡洪水位产生影响的时间一般为2 小时以后。 2 、控制水位的确定 ( 1 ) 闸门关闭到位的控制水位 无锡最高洪水位受本地降雨、河网底水位、圩区捧涝能力、上游洪水总量和洪峰流 量的多重控制，由于新闸关系到湖西和武澄锡两片的防洪利益，过早关闸于湖西不利， 过迟关闸又起不到减轻武澄锡地区防洪压力的控制作用。目前无锡市城区大部分防洪墙 顶面高程仅5 m 左右，且墙身及基础老化，还达不到抵御2 0 年一遇局部暴雨的要求，当 无锡水位超过4 0 m 时，无锡市城区部分地段将抢险加固挡洪，参照武澄锡地区其他控 制线控制运用办法，当无锡水位上涨达到4 0 m 时，沿江泵站全力抽排。为减少新闸控 制的时间与频率，尽量减小新闸控制对航运的影响，当无锡水位达到4 2 m 时新闸关闭 到位。 4 第一章绪论 常州市城区地面高程高于无锡市，城市防洪能力稍强，结合无锡和常州之间的水位 关系综合考虑，确定当常州水位上涨达到4 8 m 时，新闸需关闭到位。 丹阳大运河最高洪水位主要受山丘区洪水的影响，涨水速度较快。新闸关闭后，根 据丹阳设计洪水位、新闸对丹阳影响延时及丹阳市洪水涨率，当丹阳水位达到6 2 6 m 且 继续上涨时，可打开新闸上的小门泄流。 ( 2 ) 启动闸门的控制水位 据初步设计分析，关闭新闸盼操作过程约需要4 小时左右根据无锡、常州的洪水 位涨率，为确保下游达到控制水位时闸门关闭到位，当无锡水位达到4 1 m 或常州水位 达到4 6 m 时，新闸开始启动关闭程序 新闸泄流打开小门操作时间很短，可根据控制运用条件和防汛调度需要随肘启闭。 3 、控制运用条件 ( 1 ) 当无锡水位低于4 1 m 且常州水位低于4 6 m 时，新闸敞开泄洪，保持正常航 ：7 运。 ( 2 ) 当无锡水位达到4 1 m 或常州水位达到4 6 m ，根据天气预报有较大降雨过程， 湖西及武澄锡地区水位均将迅速继续上涨时，根据省防汛指挥部指令，航道部门发布停 航通知，新闸工程准备关闸。当无锡水位达到4 2 m 或常州水位达到4 8 m ，新闸关闭到 位。 ( 3 ) 新闸关闭期间，当丹阳水位达到6 2 6 m ，根据天气预报通胜地区有较大降雨过 程，丹阳水位可能超过6 5 m 时，如无锡水位低于4 0 m 同时常州水位低于4 7 m ，打开 全部小门泄水，如无锡水位在4 o m 至4 4 m 之间、常州水位在4 7 m 至5 o m 之间，新闸 打开部分小门承泄湖西高水，泄流量根据无锡、常州、丹阳的水位和洪水预报分析确定。 ( 4 ) 当无锡水位超过4 4 m 或常州水位超过5 0 m ，同时丹阳水位超过6 5 m 时，新 闸控制泄流由省防指根据上下游灾情统一调度。 ( 5 ) 洪水退水期，当无锡水位低于4 2 m 同时常州水位低于4 8 m 时，打开全部小 门泄水，泄至闸上下水位基本持平时，新闸开启，恢复航运。 本控制运用条件是按太湖流域综合治理工程完成情况拟订的，经省防指和有关市防 指商定后，作为新闸初期运行的调度控制方案，待新闸工程建成并通过一段时间的运行 后，根据情况再作进一步修正。由于新闸预留了船闸位置，如船闸兴建，节制闸的控制 运用也可作进一步的调整。 5 河海大学工程硕士学位论文 1 1 4 闸门型式确定 根据省政府确定的建闸原则，省水利厅组织江苏省太湖水利设计研究院和江苏省水 利勘测设计研究院，分别对新闸防洪控制工程进行方案设计。两院分别提出了浮箱门方 案与弧形门方案。 l 、浮箱门方案 节制闸闸孔净宽6 0 m ，闸中心线与苏南运河中心线重合，两侧岸墙为空箱沉井结构， 空箱顶高程为7 0 m ，沉井刃脚高程1 0 o m ，空箱沉井平面尺寸顺水流向长2 0 m ，垂直水 流向宽1 2 m 。 本方案的结构型式是：浮箱钢闸门( 尺寸为6 4 x 1 0 x 8 5 m ) 由底部浮箱与上部闸孔 组成，浮箱长x 宽x 高刊x 1 0 x 4 2 m ；浮箱甲板上布置l o 孔单宽5 m 闸门。非汛期浮箱门 置于门库。汛期需要关闸时利用浮箱门端部的钢缆将浮箱门移至闸位，然后利用充水设 施向浮箱内注水，使之下沉到位，再将平卧于浮箱甲板上的1 0 孔单宽5 m 闸门拉起，从 而达到节制作用。，关闸时，若需部分泄流，可开启上部闸孔( 可泄流1 2 0 m v s ) 。汛后同 样利用捧水设施抽水，使浮箱上浮出水面，并在钢缆的牵引作用下移入门库。门体一侧 设置转动中枢环与南侧岸墙端部的转动中枢轴形成浮箱钢闸门的固定铰，以控制门体就 位轨迹。 节制闸防冲、防渗：闸底板采用预制l 根防渗钢筋砼梁( 长x 宽x 高= 2 9 5 x o 6 x 1 o r e ) 及2 块钢结构箱体浮吊就位，板梁问沉放钢筋网，然后浇筑水下砼，掺水下不分散剂， 闸底板顶高程1 5 m ，顺水流向长2 9 5 m ，厚1 4 1 2 m ，箱模砼底板下设垂直防渗钢板 桩，板桩底高程一1 0 o m 。 浮箱门门库平面尺寸为7 0 x 1 3 m ，底高程1 5 1 o m ，设0 1 8 0 及0 1 5 0 灌注排桩挡 土墙。 。 浮箱门采用1 6 锰钢，浮箱尺寸为6 4 0 0 x l o o o x 3 0 0 c m ( 长宽x 高) ，浮箱上置下卧 式闸门总净宽为l o x 4 5 = 4 5 m ，门顶高程6 5 m ，下卧门为平面钢闸门，采用液压启闭机 启闭。 浮箱共分为6 个充排水区，每个充排水区内设充排水系统，在浮箱门两端设充排水 控制舱，控制浮箱门下沉和上浮及浮箱箱体的平衡。 浮箱门所受水平力全部通过浮箱门传给岸墙，闸室底板不承受水平力。 2 、弧形门方案结构型式 6 第一章绪论 本方案的结构型式类似荷兰新水道马斯兰挡潮闸工程。采用半径8 0 m 的弧形门一门 拦河，关门时，闸门体浮在水中绕支铰旋转至闸孔后，通过向门体内压载水舱注水使门 体下沉至闸底板。开门时，通过捧空门体内压载水舱中水使门体浮起后，闸门绕支铰旋 转至闸库闸门孔口净宽为6 0 m ，孔口底部高程1 5 m ，门顶高程6 5 m 。在河南岸布置 门库一个。门库净宽1 0 5 m ，口门处净宽7 5 m 门库顶高程3 7 m ，底板面高程1 5 m ， 厚度1 2 m 。门库外侧至河道中心线距离l o g m 。门库进口处设检修门，便于弧形门在门 库内检修。 门底底板采用水下混凝土浇筑，底板长度1 5 m ，厚1 2 m ，采用加劲钢板立模上 游接1 5 m 长o 8 m 厚水下混凝土和l o i n 长o 8 m 厚抛石。下游接2 0 m 长0 8 m 厚水下混 凝土和2 0 m 长o 8 m 厚抛石。上下游均设防冲槽。 闸门支铰座承受全部水平力，采用沉井基础。弧形门启闭采用齿轮、齿条式推进机 构。行走机构座墩结合门库检修门门库布置，采用空箱扶壁结构。座墩长1 4 m ，宽8 5 m 。 空箱顶高程7 0 m ，底板面高程1 5 m ，底板厚1 _ s i n 。支铰中心至岸墙距离取5 m 。弧厩 半径取$ o m 。 支臂采用3 根9 7 5 0 x 1 2 钢管组成的格构杆。下边两根钢管中心距3 5 m ；上、下钢 管中心距端部为2 4 m ，跨中为4 o m 。三根t p 7 5 0 x 1 2 钢管之间的联系杆采用i p 3 7 0 x 6 钢 管。支铰水平方向最大旋转角度5 7 9 度。闸门检修状态，支臂中心线水平；闸门挡水状 态，支铰向下倾斜2 1 4 8 度；闸门最高浮运状态( 最高浮运水位5 o r e ) ，支铰向上倾斜 1 4 3 2 度。弧形门上开6 孔3 m 高6 m 宽小门，两支臂外侧各开1 孔，其余4 孔在两支臂 之间。 闸门最低浮运水位3 5 m ，最高启运水位5 0 m ，浮运时门顶高程在8 5 m 1 0 o m 之 间，挡水时闸门顶高程6 5 m 。行走机构要能适应闸门位置上下变动，并且在浮运水位范 围内的任意水位状态都能运行。常规卷扬启闭机或液压启闭机都不能满足要求。考虑采 用布置于闸门门顶的齿轮、齿条式推进机构。 弧形门中的6 孔控制泄流门均采用实腹式平面直升钢闸门，闸孔宽6 m ，高3 0 m 。 闸门启闭采用顶推式柱塞缸液压启闭机，油缸安装于门槽内。 后省水利厅组织有关专家对两院提出的单孔6 0 m 跨径的浮箱门方案及弧形门方案 进行论证比选，最终选定浮箱门方案【2 】1 5 】。 为确保浮箱门运行安全，江苏省常州新闸防洪控制工程建设处委托河海大学水利水 河海大学工程硕士学位论文 电学院对常州新闸防洪控制工程进行水工模型试验。结果表明，在设计工况下，浮箱门 能顺利沉浮，对底板的最大撞击力为1 0 8 4 4 k n ，对岸墙撞击力最大为3 6 5 0 k n 6 】。 1 1 5 问题的提出 工程采用不断航水下施工，经方案比选，并经专家论证，闸门选用浮箱钢闸门型式， 为此须解决支承浮箱门岸墙的结构型式及不断航施工的防渗安全、不断航水下砼施工等 问题。其中浮箱门所承受的水压力全部传给岸墙的结构，其结构型式的确定及计算至关 重要。 本人针对此工程岸墙设计，进行了一系列的研究、探讨。经方案比较，最终选择沉 井作为岸墙，并进行了设计。为此，本人选择沉井岸墙在湖西引排新闸防洪控制工程 中的应用作为自己的工程硕士论文选题。 1 2 研究目的和意义 随着经济的迅猛发展，一方面防洪保安标准逐步提高，另一方面水运事业日益发达， 水利与航运不可避免存在冲突。当前，科技进步日新月异，设计及施工技术水平不断改 进，大孔径或超大孔径低水头的新型防洪控制工程也会不断出现新的结构型式，其岸墙 及其它部位的结构型式也应随主体结构型式的变化而变化。 沉井通常是作为建筑物的基础处理的一种结构型式，是一种历史悠久的基础型式之 一。水利水电建设在六十年代开始引入沉井技术，先后在一些大型水利水电工程中应用， 主要用于治理大规模山体滑坡，河流防冲护岸，桥梁墩台防冲以及取水井筒、泵站基础 等。本文将沉井结构应用于节制闸岸墙( 兼作闸墩) 结构，承受浮箱钢闸门传来的荷载。 本文的设计思路相信能为今后类似工程的岸墙设计提供借鉴与参考。例如，常州市京杭 运河改道段牛塘防洪控制工程目前正在抓紧建设。该工程单孔净宽9 0 m 。经方案比选， 选用平面双开弧形门结构，其支墩采用沉井结构、河道两侧高挡墙采用活动钢结构翻倒 门结构等。 在工程设计过程中常常需要进行必要的计算假定，而假定是否符合实际情况，关系 到计算结果的可信度或在施工过程中能否按设计意图实施。对于象沉井此类地下结构， 由于与土工材料悉悉相关，有关理论尚处于探索、试验或理论研究阶段，设计中应收集 有关知识信息，力争使计算假定与工程实际与工程实际更好的结合。 作为水利工程，防渗止水要求相对较高，而在不排水施工条件下如何妥善处理好防 渗结构，在设计过程中应充分考虑施工中可能出现的不利情况，选择合适的技术方案及 暑 第一章绪论 预案是十分必要的。本工程设计中沉井上水平止水保护钢构及防渗钢板桩与沉井的连接 措施经实践证明是成功的，相信会对今后类似工程有一定的借鉴作用 1 3 本论文研究的主要内容 本论文各章的主要研究内容如下： 1 论文第一章绪论，简要说明太湖流域湖西引排新闸防洪控制工程沉井岸墙设计的 选题背景、撰写本论文的目的和意义，并简要说明研究的主要内容。 2 论文第二章设计基础资料，介绍常州新闸防洪控制工程概况及有关设计基础资 料。 3 论文第三章岸墙型式的选择，对常规水闸岸墙结构类型及应用，及沉井特点及其 应用范围进行必要的阐述；根据常州新闸防洪控制工程具体特点提出沉井岸墙结构型 式。 4 论文第四章沉井岸墙设计，介绍沉井主要结构尺寸的拟定、沉井下沉方法、利用 平面理论进行沉井稳定计算( 分施工期及运行期) 、结构计算。 5 论文第五章沉井岸墙细部结构优化设计，根据工程不断航水下施工及基底为粉砂 土的特点，主要对沉井井壁上水平紫铜片止水的保护及沉井与闸底板下防渗钢板桩连接 方式设计进行了介绍。 最后对全文进行总结和展望。 9 河海大学工程硕士学位论文 第二章设计基础资料 2 1 工程概况 太湖流域湖西引排新闸防洪控制工程位于湖西片与武澄锡片分界线处的苏南运河 上，是武澄锡西控制线上防止或减轻湖西片高水对武澄锡低片造成洪涝危害的主要控制 工程。工程位于常州境内的新闸镇，德胜河河口连江桥以东6 6 0 m 。鉴于苏南运河航运 非常繁忙，1 9 9 9 年l o 月3 0 日省政府召开了新闸工程的协调会，明确新闸防洪控制工 程以“不设梯级、不碍航、特大洪水断航，预留远景船闸位置”为建闸原则，要求在不断 航施工的情况下，建造单孔净宽6 0 m 跨径的节制闸。经方案比选，并经专家论证，闸门 选用浮箱钢闸门型式。 这类工程在我国尚无先例，除要解决闸门型式问题、防渗安全、不断航水下砼旌工 的难题，同时还要对节制闸各分部工程的结构型式进行专项设计。 节制闸的纵轴线与北侧原直立墙内上口线平行，距离为3 0 m ，现状上下游河道河底 宽约为4 0 m ，河口宽为5 6 2 m ，节制闸设计为单孔净宽6 0 m ，闸门采用可沉浮的浮箱钢 闸门，闸底板顶面高程为一1 s i n ( 吴淞零点，下同) ，节制闸上游南侧建7 0 x 1 3 m 门库， 下游南侧建2 0 x 2 0 m 港池。节制闸南侧岸墙上设控制楼。管理所位于节制闸南侧，占地 1 5 3 亩。考虑到航运的发展，总体布置预留船闸位置( 规模为2 3 x 2 3 0 x 2 5 m ) ，布置在 节制闸的南侧，两闸平行，浮箱门方案两闸中心距为1 2 0 m 。工程位置如图2 - 1 所示。 为不影响苏南运河的航运，工程必须采用不断航水下施工。经方案比选，并经专家 论证，闸门选用浮箱钢闸门型式。其基本思路是：浮箱钢闸门( 尺寸为6 4 x 1 0 x 8 5 m ) 由底部浮箱与上部闸孔组成，浮箱长x 宽高= 6 4 x 1 0 x 4 2 m ；浮箱甲板上布置l o 孔单宽 5 m 闸门。非汛期浮箱门置于门库，汛期需要关闸时利用浮箱门端部的钢缆将浮箱门移 至闸位，然后利用充水设施向浮箱内注水，使之下沉到位，再将平卧于浮箱甲板上的l o 孔单宽5 m 闸门拉起，从而达到节制作用。关闸时，若需部分泄流，可开启上部闸孔( 可 泄流1 2 0 m v s ) 。汛后同样利用排水设施抽水，使浮箱上浮出水面，并在钢缆的牵引作用 下移入门库。门体一侧设置转动中枢环与南侧岸墙端部的转动中枢轴形成浮箱钢闸门的 固定铰，以控, s i l l 体就位轨迹。 1 0 匝科斟器掰幕掰嚣超星塔善瓤 l - z 匠 碡斌帮郴末秘 料壤 河海大学工程硕士学位论文 浮箱内部共划分为四个水舱，以浮箱纵横中心线为对称轴。浮箱两端底部设置充、 排水设备，水舱充水设备采用电动闸阀，排水设备采用w l 立式排污泵，水舱内置水位 传感器，计算机适时监控各水舱水位，并自动控制各水舱的充排水流量，力求浮箱钢闸 门在启闭时平稳沉浮。浮箱上部的1 0 扇卧倒式平面钢闸门孔口净宽4 5 m ，通过铰与浮 箱联接，在非挡水期均卧倒于浮箱的顶板上。该门的启闭通过闸墩上的液压启闭机 q h s y - 2 2 5 0 2 x 1 0 0 - 2 5 完成，由于采用双吊点起吊，因此各组液压启闭机均配置位移传 感器进行同步纠偏，以保证平稳升卧。 作为支承浮箱钢闸门的两侧岸墙受不对称荷载作用，加之受北侧机场路限制，采用 钢筋砼沉井结构。沉井平面尺寸为1 0 x 2 0 m ( 垂直流向长度顺流向长度) 。沉井底商程 1 0 0 m ，顶高程与浮箱钢闸门顶相同为7 0 m 。根据地质资料，下部为粉沙、极细沙土层， 且下部有承压水层，因此沉井采用不排水下沉施工工艺，水下砼封底t 2 1 网。 2 2 基础资料 2 , 2 1 工程等级及规模 根据水利部水利水电规划设计总院对湖西引排工程可行性研究报告( 1 9 9 7 年修 订) 的技术审查意见“新闸工程为h 等工程。节制闸及船闸上闸首为2 级建筑物，其它 为3 级建筑物”。本工程主要建筑物节制闸按2 级建筑物设计，其它按3 级建筑物设计。 现阶段苏南运河航道等级为级，河口宽5 5 m ，远景规划为m 级航道。根据江苏 省交通厅关于对苏南运河新闸临时大孔闸工程意见的函，新闸规模按预留扩建级 航道标准进行设计，采用口门宽为6 0 m ，门槛水深为4 0 m 2 j 【5 】。 2 2 2 特征水位 根据太湖流域湖西引排工程可行性研究报告( 9 7 年修订本) 的水利计算成果并 考虑实际发生的水位情况，新闸防洪控制工程主要特征水位如下：上游历史最高水位( 由 9 1 年常州水位推得) 5 9 5 m ；上游遇6 9 年雨型新闸规划水位5 3 8 m ；下游常州警戒水位 4 3 0 m 。 参照水闸设计规范的有关规定，设计水位组合如表2 - l ： 1 2 第二章设计基础资料 表2 - l 设计水位组合表 计算上游下游水位差 备注 情况 ( m )( m )( m ) 设计v 5 3 8v 4 3 0 1 0 8 运行期 校核 v 5 9 8v 4 3 01 6 8 2 2 3 气象 本地区属中亚热带北部向北亚热带南部过渡的季风气候区，气候温和，雨量充沛， 四季分明。光照能量丰富，年平均太阳辐射量1 0 3 - - - l l g k c a l c m = ，日照时数年平均为2 0 0 0 小时左右，年平均气温1 5 0 c ，全年无霜期约2 2 0 天。年平均降雨量l l o o m m ，年水面蒸 发量9 7 2 m m ，降水量年内和年际分布不均匀，汛期