（水力学及河流动力学专业论文）洪汝河临时挡水设施研究.pdf

洪汝河临时挡水设施研究 摘要 目前常用的临时挡水设施主要有土围堰和钢围堰两种型式，传统的土 围堰施工简单方便，有较多的施工经验，传统的钢围堰以采用机械化施工 为主，施工速度快，且可重复使用。而对于交通不便，只能以人力施工为 主的地区，且需要短期溢流的临时挡水设施，传统的围堰形式则无能为力。 本研究主要是结构型式的研究，研究了一种新型的钢结构临时挡水设施， 以解决洪汝河河道疏浚过程中遇到的河道水位长时间保持在很低的水平， 挖泥船无法正常施工，而当地又交通不便，围堰的施工必须以人力施工为 主的难题。此新型钢围堰具有以下创新点： l 、整个结构创造性的采用了零件分步组装的方式，每一个零部件都 可以使用人工搬运至河道，然后再进行装配。 2 、支撑底板采用分开的形式，每一块挡水面板配合两块底板，底板 与挡水面板通过三角支撑滑动连接，这样两块支撑底板在支撑时可以不在 同一水平面上，而是根据河床的变化而变化，因此对河床地形的适应性很 强，可适用于河底起伏较大的河道。 3 、为了防止水位升高时带来的溢流冲刷，在背水面设置了分体方盒。 溢流落入分体方盒，具有消力池功能，可防止冲刷所导致地桩基础破坏； 4 、由于是临时性挡水设施，在水位升高时需要拆除设旌。为了方便 拆除，每个钢管和钢面板都预留有起吊孔，便于汛期高水位时使用小锚吊 拔出钢管桩和钢面板，进而拆除钢围堰。 我国北方的河流冬季水位一般较低，因此本研究项目在冬季北方河流 疏浚中具有广阔的推广和应用前景。 关键词：钢围堰轻便装配人力 s t u d yo fc o f f e r d a mi nh o n g r u h er i v e r a b s t r a c t c u r r e n t l y ，t h ec o m m o nf o r mo fc o f i e r d a ma r ee a r t hc o f i e r d a ma n ds t e e l c o f f e r d a m t r a d i t i o n a le a r t hc o f f e r d a mc o n s t r u c t e ds i m p l ye x p e d i e n t l ya n d s e a s o n e d l y t r a d i t i o n a ls t e e lc o f f e r d a mu s u a l l yc o n s t r u c t e db ym a c h i n e s ，s oi t s a v e st i m e b e c a u s eo ft h eu s eo fs t e e l t h i ss t y l ec o f f e r d a mc a nb eu s e d r e p e a t e d l y b u tw h e n t h et r a f f i ci s i n c o n v e n i e n t ，t h ec o f f e r d a mo n l y c o n s t r u c t e db ym a n p o w e ra n dn e e d so v e r f a l l ，t r a d i t i o n a ls t y l e so fc o f f e r d a m a r eu n u s e f u l - t h es t u d ym a i n l yr e s e a r c han e w s t y l eo fs t e e lc o f f e r d a mt or e s o l v et o o l o ww a t e rl e v e lo f h o n g r u h er i v e r d r e d g i n g ，t h ed r e d g e rc a n tw o r k ，t h el o c a l t r a f f i ci s i n c o n v e n i e n ta n dc o f f e r d a mc o n s t r u c t i o nw o r k sm u s tb e h u m a n o r i e n t e dp r o b l e m s t h en e ws t y l ec o f i e r d a mh a st h e f o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s ： 1 t h ee n t i r es t r u c t u r eo ft h ec o f i e r d a r nu s e st h es u b a s s e m b l yp a r t s c r e a t i v e l y ，e a c ha c c e s s o r yc a nb ec a r r i e dt or i v e r w a y ，a n dt h e na s s e m b l e db y m a n p o w e r 2 s o l e p l a t eu s es e p a r a t ef o r m ，e a c hc u r t a i np a n e lh a st w os o l e p l a t e s t h r o u g ht r i a n g u l a rs u p p o r ts o l e p l a t ea n dc u r t a i np a n e lw a sc o n n e c t e d s l i d i n g l y b yt h i sw a yt w os o l e p l a t e sc a nn o ts u s t a i na tt h es a m eh e i g h t ，a n d t h e r e f o r et h ec o f f e r d a mc a r la d a p tt h er i v e rb e dv e r yw e l l 3 i no r d e rt op r e v e n tt h eo v e r f l o w i n gs c o u rp i l ef o u n d a t i o nw h i c hc a n l e a dt ot h ed a m a g eo ft h ec o f f e r d a mw a t e rl e v e lr i s e ，w ed e s i g no v e r f l o w i n g b o x w h e nt h ew a t e rl e v e lr a i s e s ，t h ew a t e rc a no v e r f l o wi n t ot h eb o x 4 b e o a u s ei ti sc o f f e r d a m s ow h e nt h ew a t e rl e v e lr i s ew en e e dt o d i s m a n t l ei t i no r d e rt od i s m a n t l ei tf a c i l e l yd u r i n gf l o o ds e a s o n e a c hs t e e l p a n e l sa n dp i l e a r es e t t e d s u s p e n s i o nh o l e s u s i n gt h e s eh o l e s ，w ec a n d i s m a n t l et h ec o f i e r d a mq u i c k l y i nw i n t e r t h ew a t e rl e v e lo fr i v e r si nn o r t hc h i n ai sg e n e r a l l yl o w s o t h i sr e s e a r c hh a sb r o a da p p l i c a t i o na n dp r o m o t i o np r o s p e c t si nd r e d g i n gw o r k o ft h en o r t h e r nr i v e r s k e yw o r d s ：s t e e lc o f f e r d a m ，p o r t a b i l i t y , a s s e m b l y ，m a n p o w e r 图1 图2 图3 图4 图5 图6 图7 图8 图9 图1 0 图1 l 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图2 0 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 插图清单 施工所用钢围堰三视图 土围堰横截面示意图 方案一钢围堰三视图 方案一面板梁格布置图 方案一水平梁计算简图 方案二钢围堰设计三视图 方案二面板梁格布置图、 方案二水平梁计算简图 方案三钢围堰三视图 面板梁格布置图 水平次梁计算简图 方案三钢围堰三视图 3 o m 高度时梁格布置图 3 o m 高度时水平梁计算简图 三角支撑计算简图 3 o m 高度时桩基计算简图 3 o m 高度时止水装置图 2 7 m 高度时梁格布置图 2 7 m 三角支承计算 2 7 m 高度时桩基计算简图 2 5 m 高度时梁格布置图 2 5 m 时三角支承 2 5 m 高度时桩基计算简图 2 o m 高度时梁格布置图 2 o m 高度时水平梁计算简图 2 o m 高度时桩基计算简图 1 5 m 高度时梁格布置图 1 5 m 高度时水平梁计算简图 o 。= 加 他 ” h m 博 ” 丝 玛 玛 m 弭 撕 弱 拍 ” 猫 ” 捞 如 弛 ” 图2 9 图3 0 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 1 5 m 时三角支承 1 5 m 高度时桩基计算简图 钢围堰组装零件图 钢围堰人力组装图 钢围堰桩基安装图 分块支撑施工过程图 施工前期准备图 钢围堰部分完成图 钢围堰安装图 防冲沙袋布置过程图 3 3 3 3 3 6 3 6 3 7 3 7 4 2 4 2 4 3 4 3 表格清单 表1临时围堰的种类2 表2国内的一些围堰工程5 表0方案一面板厚度计算，1 2 表4方案一荷载与内力计算1 2 表5方案二面板厚度计算1 4 表6方案二荷载与内力计算1 5 表7方案三面板厚度计算1 7 表8方案三荷载与内力计算18 表9 方案四丽板厚度计算，1 9 表1 0四种方案比较2 0 表1 l3 o m 高度时面板厚度计算2 2 表1 23 o m 高度时荷载与内力计算2 2 表132 7 m 高度时面板厚度计算，2 5 表1 42 7 m 高度时荷载与内力计算2 5 表1 52 5 m 高度时面板厚度计算2 7 表1 62 5 m 高度时荷载与内力计算2 8 表172 o m 高度时面板厚度计算3 0 表182 o m 高度时荷载与内力计算3 0 表1 91 5 m 高度时面板厚度计算3 2 表2 01 5 m 高度时荷载与内力计算3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研兜工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆工些厶堂 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：中寸表年签字日期：，”( - 年期5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆兰些杰堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权金罡工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 付碑 签字日删：卜0 年f 月1 日 日 导师签名 签字日期：o 妒r 月0 ) 电话：j ；6 岁矗7 哗年7 邮编：- 。j ， 端瓣 致谢 本文是在我的导师王军教授的指导下完成的。在学习和作论文期间， 王军教授不仅提供了许多科学有效的指导，而且创造了良好的学习氛围， 对本论文的撰写倾注了大量的心血。王军教授不仅使我学到了扎实的专业 知识，导师的博学和严谨的治学态度以及平易近人的作风对我产生了巨大 的影响，并使我在今后的学习、工作和生活中受益终身。 真诚地感谢在我研究生阶段的学习和生活中给予我无私帮助的老师、 同学和朋友。感谢勤劳的父母，他们对我的无私支持，是我完成学业的精 神动力。 再次感谢你们，愿你们一生平安! 作者；付辉 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 1 1 引言 洪汝河位于淮河北岸，发源于河南省伏牛山区，自西北向东南流经河南、 安徽两省，洪汝河流域西接长江流域的唐白河水系，东北与沙颖河流域临近， 是淮北骨干排水河道之一，流域面积1 2 3 8 0 k m 2 。在中上游( 班台以上) 洪汝河分 为汝河和小洪河两支，下游( 班台以下) 称为洪汝河，在安徽省王家坝附近汇入 淮河。解放前，洪汝河流域洪涝灾害十分频繁；建国以来，遵照“蓄洪兼筹” 的治淮方针，上中游先后修建了4 座大型水库和3 个滞洪区，有效地控制了山 区洪水。同时对班台以下洪汝河进行了初步治理，1 9 5 8 年在班台以下对洪汝河 部分河段进行了人工裁弯取直、并在洪汝河以东另辟建洪河分洪道。目前班台 以下河道防洪标准约为5 年一遇，除涝标准小于3 年一遇，不能满足上中游防 洪防涝要求，下游地区洪涝灾害仍十分频繁，严重制约该地区经济的发展。因 此水利部以水总2 0 0 4 1 2 6 2 号文批复了洪汝河下游河道近期治理工程初步设计， 对洪汝河进行河道清淤，以提高下泻流量。 1 2 国内外临时挡水设施研究概述 围堰是一种临时性水工建筑物，按使用的才料可以分为：土石围堰、草土 围堰、钢板桩格型围堰、混凝土围堰等。 土围堰是水利水电工程中运用最为广泛的一种围堰型式，它能够充分利用 当地材料或者废弃的土石方，构造简单，但工程量大，堰身变形较大。草土围 堰是草土混合结构，多用捆革法修建，早在两千多年前就广泛应用于宁夏引黄 灌渠的取水工程，我国甘肃省的盐锅峡、八盘峡、刘家峡等水电站等都先后应 用过草土围堰。钢板桩格型围堰在国外一些大、中型水利工程中应用得比较广 泛，如美国田纳西河流域堤级开发工程中有1 4 个工程和1 9 6 5 年罗马尼亚一一 南斯拉夫得铁门水电站均采用过钢板桩格型围堰，在我国得葛洲坝施工中也使 用过钢板桩格型围堰。其回收率很高，可达7 0 以上。混凝土围堰得抗冲与防 渗能力大，挡水水头小，底宽小，易于与永久混凝土建筑物相连接，必要时可 过水，我国浙江省紧水滩、贵州省乌江度、湖南省凤滩等均使用过混凝土围堰。 就挡水措施而言，适于当地实际情况的设计方式有土围堰和钢围堰两种。 传统的土围堰主要有土、石构成。土围堰可以充分利用当地材料或废弃的 土石方，构造简单，施工方便，可以在水流中、深水中、岩基上或有覆盖层的 河床上修建，但工程量大，堰身沉陷也较大。 传统的钢围堰主要指钢板桩格型围堰，根据挡水高度不同，其平面型式有 圆筒型格体、扇型格体和花瓣型格体等，其中以圆筒型格体应用最为广泛。钢 板桩格型围堰因采用机械化施工，具有施工速度快、占地少、安全可靠等优点， 因此在大、中型水利水电工程项目中的应用比较普遍。 目前常见的临时围堰种类以及优缺点，具体见表1 “” 表1临时围堰的种类 类 名称模型图 优点缺点备注 别 填 叭 水浅时最经济；必须有宽阔的截水材料可 土 堤式 适用于多起伏的地施工场地；用钢板桩或 基：水深大时不适土心墙。 式 。f 施工简单。用。 箱模 斓， 能有效的用作临时截水性差；多用作有水 围堰及应急措施；不能用作长期流的水中围 a 维修、复原方便。围堰。 堰。 重 力 适用于水深且波必须有沉箱预多用作任意 式 沉箱 嘲 浪、海潮严峻的条制场并要安装形状的同堰 ( 式 件： 大型机械； 体。 能 施工中及完工后的造价高。 用 稳定性好。 于 格型 帼 适应于波浪、海潮工种多：要注意处理 严峻的条件；截水工程比沉从底面浸透 软砌块 卜叫施工机械比沉箱式箱式大。的水。 基 式 小型。 ) 施工方便；不能用于大水多与前面填 格仓 1 翮 施工中稳定性好。深：土及背后填 式格仓间截水困土并用。 难。 独立 j 1 占地面积小： 不能用于软基；要慎重分析 板式单 甲8 只能用于小型围水深大时不适板桩的强度； 桩层板 叫i 一 堰。应。 特别要注意 式桩埋入深度。 ( 横粱 # 载 占地面积小；因有横粱故工要注意拆除 打式单能用于较大的水程的施工性能时的安全性 入 层板 深。差。和施工性能。 式 桩 板 横粱 啪 截水性、安全性好：因有横梁故工截水水压人， 桩 式双围堰顶有工作作业程的施工性能要注意施【： 为 层板面。差。管理。 前桩 提 水深大时适用；埋进完成前不要注意拉杆 )独立 咽 适用于较大型的围稳定；剪断事故； 式双 堰； 围堰拆除复杂；为能有良好 层板完成后稳定性好。工种多，施工复的截水性，可 桩 il ? ” 杂。 单侧用长板 桩， 2 格型船 施工中稳定性好；要求施工精度没有可供租 能适于较大水深；高：用的直线型 式 瓤砸磁 适用于大型围堰。比格的限定直 钢板桩； 径大时极不经几乎为圆形 曹l ”辱格 且脯 济。格。 本项目所研究的为临时挡水建筑物，且由于交通不便，施工机械难以到达， 需要以人力施工为主，因此研究此临时性挡水建筑物时，既需要具有土围堰施 工方便快捷和施工条件要求不高的特点，又需要具有钢围堰安全可靠，可以重 复使用，工程量较小，施工速度快的优点。 1 3 环境保护 临时性挡水建筑物研究成功并付诸实施以后，可以保障挖泥船的施工进 度，保证洪汝河疏浚工程的顺利进行，解决洪汝河沿岸居民多年来所遭受的洪 涝灾害，确保大灾之年的抢收抢种以及减少传染病的发生率，对本地区的经济 发展、社会发展会起到巨大的积极作用。围堰施工后对当地的环境基本没有影 响，随着施工的进行，一段时间之后围堰随之拆除，对当地环境不会造成影响。 1 4 研究课题的来源、目的及意义 在洪汝河河道疏浚过程中洪汝河水位有时很低，流量也仅有几立方米，挖 泥船有时一年之中有大半年无法正常使用，施工单位的人员和施工机械长时间 闲置，施工单位亏损很大。这不仅浪费了大量的人力、物力资源，还使得疏浚 任务难以按期完成，而沿岸广大人民群众的生命财产安全也受到了洪汝河洪涝 灾害的严重威胁。为了解决这一问题，淮河水利委员会水利水电工程建设管理 中心与合肥工业大学合作，研究一种施工快捷方便、造价低廉、安全、实用性 强、综合效益较高的新型临时挡水设施抬高水位，以保证施工的正常进行。在 平原及丘陵区河道，这个问题具有共性。 本研究项目主要是挡水设施的结构形式研究，即研究一种新型临时挡水设 施：可以抬高河底水位，使水深增至2 5 m 。该设施不同于城市防洪中所使用的 一些临时性挡水设施，而是河道中临时抬高水位之用。考虑到方案要尽量节省 成本，提高经济效益，以及当地交通不便，施工机械难以进入的实际情况，因 此方案要能够充分适应河床地形的不规则变化，尽量采用可重复使用的结构形 式，以及咀人力施工为主的施工方式，确保洪汝河清淤工作的顺利进行，避免 当地连年受灾，保证早涝保收“1 。 第二章新型围堰的设计 2 1 洪汝河流域水文地质情况概述 根据文献 1 0 和【1 1 的描述，洪汝河流域属暖温带季风气候区，气候温和， 多年平均气温1 4 9 ，极端最高气温4 l4 ，最低气温一1 9 2 ，多年平均降 水量9 4 6 m m ，流域多年平均径流深2 2 5 m m ，班台多年平均流量8 3 6 m 3 s ，降水 年内分配极不均匀，7 、8 、9 三个月降水量占全年降水最的6 0 ，产生暴雨的 天气系统主要为低涡切变和台风等。 根据本区地层分布和地层结构。项目实施所涉及的范围内，地下水类型主 要为松散盐类孔隙潜水和孔隙承压水。第四系全新统地层中含水层主要为低液 限粉土( 轻粉质土及砂壤土) 、粉细沙层，分布在河床、漫滩及一级阶地r 部， 渗透系数为a x l o3 1 0 c m j s ，为潜水含水层；第四系上更新统含水层主要 为低液限粉土( 砂壤土) 、中细砂层，分布在河床及二级阶地下部，在河床中局 部有出露，为承压含水层，渗透系数为4 1 0 - 2 1 0 - 4 e m s ，其上一般分布5 1 0 m 厚的低液限土，隔水性良好。 洪汝河流域地形自西北向东南方向倾斜。京广铁路以西为上游，属山丘区， 山丘区面积占全流域面积的4 0 ，海拔一般在1 0 0 m 以上，最高峰白云山海拔 9 8 4 m 。京广铁路以东多为平原，平原面积约占总面积的6 0 ，其中班台以上为 中上游，海拔一般在4 0 m8 0 m 之间；班台以下为下游，海拔一般在3 0 m 4 0 m 之间，洪河洼地地势较低，高程一般在2 5 m - 一3 5 m 之间。 洪汝河地区土层区划属华北地层区阜阳分区，地表未见基岩出露，据区域 地质资料，本区下伏基岩主要为白垩系( k ) 、侏罗系( j ) 沙页岩，震且系( z ) 灰岩 及沙页岩，下元古界( p t ) 片麻岩，上覆第四系( q ) 和第三系( n ) 沉积厚度约为 3 0 0 8 0 0 m 。在勘探深度内揭露的地层除人工填土外，主要有第四系全新系统 ( q 4 “j 冲积形成的低液限粉土和低液限粘土，上、中更新系统( q ，“，q 2 “) 冲洪积 和湖积形成的低液限粘土和砂土。 该区位于中朝准地台之华北坳陷南缘的自垩纪阜南坳陷内，区内第四系广 布，构造行迹难以观察。据区域地质资料反映，在阜南一一淮滨方向有一隐伏 断层穿过洪汝河下游。 工程区地震动反应谱特征周期为0 3 5 0 4 5 s ，地震冻峰值加速度为 - 3 时一1 4 贝l j t = a 胨= 0 0 6 7 a 厮 计算如表3 ： 表3方案一面板厚度计算 区格 a ( m m )b ( m m ) b a 七 p ( 册m 2 )厮玎r a m ) 17 0 0 1 5 0 0 2 1 40 6 9 7 0 0 0 8 3 3 0 0 7 6 23 4 7 26 0 01 5 0 02 5 0o 50 0 1 4 70 0 8 5 73 4 3 35 0 01 5 0 03 o oo 50 0 2 0 lo 1 0 0 23 。2 6 44 0 01 5 0 03 7 5o 50 0 2 4 5o 1 1 0 72 9 7 53 0 01 5 0 05 0 0o 50 0 2 7 90 1 1 8 22 3 8 由表3 计算结果可得，选用4 m m 的钢板作为钢面板“。 ( 2 ) 梁的设计 ( d 荷载与内力计算如表4 表4 方案一荷载与内力计算 梁 梁轴线处压强p ( k n m 2 )( 口+ 口v ) 2 荷载q = p ( 口+ 口t ) 2 号 ( k n m ) 11 1 8o 6 57 6 7 21 7 60 5 59 7 0 32 2 50 4 51 0 1 4 42 6 50 3 59 2 6 52 9 4 o 1 54 4 1 根据表4 计算结果，水平梁计算荷载可选为1 2 k n m ，跨度为1 5 m ( 如图5 所示1 1 。 图5 方案一水平梁计算简图 水平梁跨中的正弯矩为：ma 十= 吉g z 2 _ 3 3 8k n 。m o 梁的强度验算 所需截面抵抗矩：矽= 尝鲁= 2 3 4 l 。3 m m 3 选用8 号槽钢，则其截面抵抗矩和惯性矩为：矿= 2 5 3 x 1 0 3 m m 3 ，l = 1 0 1 e m 4 梁的挠度计算 气一，4 由于挠度最大值发生在水平梁的中间，而其挠度：厶巾2 盎2 3 8 m m ， 所以满足刚度需求o “。 b 、新型钢围堰方案二 1 ) 方案二概述 采用钢桩基结构形式，两边为桩基，中间为加水平梁的钢面板，两桩基使 用由角钢做成的三角支承进行结构支撑，三角支承上面与两桩基焊接，下面与 底钢板焊接。底板以下的桩基是被打入土内的。底面板一端是与两桩基焊接的， 上面用四根钢管桩用来固定它。挡水面板是由加水平梁的钢面板制成。 旌工时，将钢面板插入两桩基之间。两桩基内侧有一定宽度的滑槽，中下 部分焊有一定高度的钢板，一部分是被打入土内的，用来抗渗，而上面的部分 作为一定高度的堰。钢桩上设置用于滑动的槽，并沿槽敷设橡胶止水，以利于 挡水面板的滑动和防渗。桩基采用工本扣的形式，外侧有一个是凸的，一个凹 的，用于两块钢围堰的紧密连接。而整个钢围堰结构是由上面的单一结构一个 一个组合而成。 施工时，首先将一个结构架到河面上，将两桩基打入土内，再将面板上的 四根钢管桩分别打入土内。则第二块钢围堰采用工本扣的形式扣接在第一块钢 围堰上，具体情况如图6 所示。 图6 方案二钢围堰设计三视图 2 ) 方案二优缺点： 优点：( 1 ) 结构简单，加工较为方便； ( 2 ) 由于中间是由插板插入的，当水位较高或需要放水时，可以将其拔出， 操作简单； ( 3 ) 使用钢管桩，抗倾覆和抗滑较好，因此结构稳定。 缺点：( 1 ) 由于桩基对强度要求较高，加工精度要求较高，因此，加工费 用较高，成本较高； ( 2 ) 结构较大，运输较困难i ( 3 ) 施工时，以人力施工为主，此种方案两桩基较高，入土较困难； ( 4 ) 桩基的挠度较大，稳定性较差； ( 5 ) 对地形需要很高，由于底板面积大，所需河底十分平坦，而在天然河道 中，平坦河底的选择非常困难。 3 ) 方案二的设计与计算 ( 1 ) 面板厚度计算 根据文献1 2 6 ，2 7 ，2 8 】，先估算面板厚度，在主( 次) 梁截面选择之后再验算面 板的局部弯曲与主梁整体弯盐的折算应力。 初步布置梁格尺寸如图7 所示。 现计算如表5 。 图7方案二面板梁格布置图 表5方案二面板厚度计算 区格a ( m m )b ( m m )b ak p ( n m m 2 )西 t ( m m ) 1 7 0 01 5 0 02 1 40 6 9 70 0 0 8 3 30 0 7 6 23 4 7 26 0 01 5 0 02 5 0o 50 0 1 4 7 0 0 8 5 7 3 4 3 35 0 01 5 0 03 0 00 50 0 2 0 1o 1 0 0 23 2 6 44 0 01 5 0 03 7 50 50 0 2 4 50 1 1 0 72 9 7 53 0 01 5 0 05 0 0o 50 0 2 7 9 o 1 1 8 2 2 3 8 1 4 由表5 计算结果可得，选用4 r a m 的钢板。 ( 2 ) 梁的设计 荷载与内力计算如表6 ： 表6 方案二二荷载与内力计算 粱号 梁轴线处压强p ( k n m 2 ) ( 口 4 - 口 荷载譬= p ( a + a0 2 f ) 2 ( k n m ) i1 1 80 6 57 6 7 21 7 6o 5 59 。7 0 32 2 50 4 51 0 1 4 42 6 50 3 59 2 6 52 9 40 1 54 4 1 根据表6 计算结果，水平梁计算荷载可选为1 2 k n l m ，跨度为1 5 m ( 如图8 所示) 。 图8方案二水平粱计算简图 水平梁跨中的正弯矩为：m & 十2 ：叮，2 2 3 3 8k n i n 梁的强度验算 所需截面抵抗矩：矽= 尝募= 2 3 4 x 1 0 3 m m 3 选用8 号槽钢，则其截面抵抗矩和惯性矩为：矽= 2 5 3 1 0 3 m m 3 ，- - 1 0 1c ：m 4 梁的挠度计算 由于挠度最大值发生在次梁的中间，而其挠度： 厶中= 器= 3 8 m m ，满足刚度要求。 c 、新型钢围堰方案三 1 ) 方案三概述 采用钢闸门设计的形式进行设计，其主要由挡水钢面板，三角支撑、底板、 水平粱、钢管桩、防冲消能水箱等组成。面板与水平面星7 5 0 角，其后布置由 槽钢制成的水平梁以降低巨大的水压力产生的挠度，钢面板用三角支撑进行支 撑，三角支撑与面板滑动连接，底板由两块钢板组成，底板和三角支撑采用焊 接方式连接。底板上开有四个孔，由开孔处打入钢管桩，用于钢围堰的抗滑和 抗倾覆，保证钢围堰的稳定性。防冲消能水箱为长方体形( 为施工方便，长方 体统一做成长2 m ，高3 0 e m ，而宽度根据三角支承的宽度确定) ，放置在钢面 板的被水面处，两三角支承之间，用于钢围堰短期溢流时消能防冲。 现场施工时先放置底板和三角支撑，在由底板的四个孔打入钢管桩，最后 面板沿三角支撑滑动并击入河道o 5 m 深。如图9 所示。 图9方案三钢围堰三视图 2 ) 方案三优缺点： 优点：( 1 ) 整个结构只有底板和三角支撑焊接在一起，其余均为滑槽连接， 降低了单个构件的重量，最重的构件仅为1 4 5 k g ，解决了施工条件以人力为主 的难题。且围堰采用模块化设计，分拆运输现场组装，方便了运输，节省了运 输成本； ( 2 ) 采用桩基的形式，底板为分开的，每一块围堰由两块底板组成，地形 的适应性较强，可适用于河底起伏较大的河道； ( 3 ) 旌工简单、方便、快速，几乎不需要土石方工作，只需现场人工打入即 可，也不需要重型机械； ( 4 ) 面板击入河道0 5 m ，有效的阻止了河道渗漏，抗渗效果好，漏水少； ( 5 ) 面板与水平面成7 5 0 角，这样使人工打击时较方便，同时可以利用一部 分水重增加结构的稳定性。 缺点：( 1 ) 加工较复杂，制作成本较高； ( 2 ) 施工时要求精度控制较好，不能够偏差太大。 3 ) 方案三的设计与计算 ( 1 ) 钢面板设计 估算面板厚度： 初步布置梁格尺寸如图l o 所示。 计算结果如表7 ： 图1 0 面板梁格布置图 表7方案三面板厚度计算 板号 6 ( m )玎( m ) b a _ j 自( m )p ( n m m 2 ) t ( r a m ) 11 50 72 1 40 6 9 70 8 3 80 0 0 8 2 1 234 4 2 1 5 0 6 0 2 50 51 4 6 6 o 0 1 4 3 6 73 3 31 5o 5 52 7o 52 0 2 1o 0 19 8 0 63 6 41 50 4 53 3o 51 5 0 40 0 2 4 5 3 93 3 4 51 5o 35o 52 8 6 70 0 2 8 0 9 72 3 l 由表7 计算结果可以看出t 3 6 m m ，故可取t = 4 m m 。 面板的总质量为：3 1 4 x 1 0 。1 5 7 8 1 0 3 = 1 4 5 ( k g ) ( 2 ) 水平梁的计算 荷载与内力计算 水头为3 m 时水平梁上面的水压力可按下式，即q ：p 竺与 。 z 计算列于表8 。 根据表8 计算结果，水平梁计算荷载可选为1 2 k n m ，跨度为1 5 m ( 女n 图 1 1 所示) 。 图1 1水平次梁计算简图 表8方案三荷载与内力计算 梁 梁轴线处压强p ( k n m 2 ) 0 + 口t ) 2 荷载q = p ( 口t + 口t ) 2 号 ( k n m ) 11 1 8o 6 57 6 7 21 7 6 0 5 81 0 2 l 32 2 9o 51 1 4 5 42 7 2o 3 8l o 3 4 5 3 0 00 1 54 9 8 水平梁跨中的正弯矩为：m a + = ；g ，2 = 3 3 8k n m 2 ) 梁的强度验算 所需截面抵抗矩：矿= 尝暴= 2 3 4 1 。3 m m 3 选用8 号槽钢，则其截面抵抗矩和惯性矩为：矽= 2 5 - 3 1 0 3 m m 3 ，卢1 0 1c m 4 3 ) 梁的挠度计算 气力，4 由于挠度最大值发生在次梁的中间，而其挠度：矗中2 3 8 坐4 e i 2 3 8 r a m 满足刚度要求。 d 、新型钢围堰方案四 1 ) 方案四的概述 采用钢桩基结构形式，两边为桩基中间为钢面板，下面与底钢板焊接，底 板以下的桩基是被打入土内的。底面板一端是与两桩基焊接的，上面有四根钢 管桩用来固定它。挡水面板是由9 r a m 钢板做成，施工时，将其插入两桩基内。 两桩基内侧有一定宽度的滑槽，中下部分焊有一定高度的钢板，一部分是被打 入土内的，用来抗渗，而上面的部分作为一定高度的堰，上面有一定的槽可以 使上面的挡水面板正好吻合，采用橡皮止水。外侧有一定的特殊结构，其中一 边是凸的，另一边是凹的。 施工时，首先将一个结构架到河面上，将两桩基打入土内，再将面板上的 四根钢管桩分别打入土内。则第二个钢围堰采用工本扣的形式扣接在第一块钢 围堰上，具体情况见图1 2 所示。 2 ) 方案四的优缺点 优点：面板使用9 m m 的钢板做成，不做水平粱，结构简单，加工制造较 为方便。 缺点：( 1 ) 由于桩基对强度要求较高，加工精度要求较高，因此，加工费用 较高，成本较高； ( 2 ) 挡水面板使用9 m m 钢板做成，成本较高，又面板上没有加梁，故其挠度 较大； ( 3 ) 桩基上没有支承，稳定性较差。又桩基结构需要尺寸较大，运输较困难： ( 4 ) 由于施工条件的限制，以人力施工为主，而此种方案两桩基较高，桩基 打入土中较困难： ( 5 ) 桩基的挠度较大，稳定性较差； ( 6 ) 对地形的适应性差。 图1 2 方案三钢围堰三视图 3 ) h - 案四的设计与计算 面板厚度计算：当6 。s 3 时，口= 1 5 贝, l j t = a 、；磊= o 0 6 5 a - f 石 具体计算如表9 ； 表9方案四面板厚度计算 f 区格a ( m m )b ( m m ) b ak p ( n m m 2 )厮t ( m m ) 1 1 5 0 02 0 0 01 3 30 5 0 20 0 1 4 7 0 0 8 5 98 3 8 由表9 计算结果，可选面板为9 m m 钢板。 说明：此方案面板厚度太大，造价较高，重量大，人工施工困难。 2 3 1 。2 方案比较 在方案的选择上，要求投入使用的临时挡水设施满足结构上安全可靠，施 工简单快捷，造价低廉，对河道的适应性强，对当地的环境影响小。因此选择的 方案要综合全局考虑，不能因为某种方案仅仅是造价低或者是施工精度要求低就 加以选择，而是要综合考虑各方面的影响，选取最适合当地实际情况的临时性挡 水设施。 现选择一典型洪汝河河道断面进行研究方案的比较分析。此河道断面大约 需3 0 块抬高河道水位至2 5 m 的钢围堰，对各个方案进行工程量分析和优缺点比 较，具体如表1 0 所示。 表1 0 四种方案比较 钢材量方案方案二 方案三 方案四 ( k g ) 工程所 需钢材 1 5 3 0 01 3 5 0 01 3 0 0 01 2 5 0 0 量( k g ) 1 、施工简单快速，1 、结构简单，1 、整个结构只有底板和三1 、面板使用 钢围堰在工厂制作加工较为方角支撑焊接在一起，其余9 m m 的钢板做 完成以后，运输到便；均为滑槽连接，降低了单成，没有加粱 现场按照次序摆放2 、由于中间个构件的重量，最重的构结构简单，加t 即可，现场施工的 是由插板插件不足15 0 k g ，人工施工制造较为方便。 工作量很小； 入的，当水位方便。且围堰采用模块化2 、面板采用插 2 、采用整体焊接较高或需要设计，分拆运输现场组装，入式，施工步骤 式，在工厂进行制 放水时，可以方便了运输，节省了运输少，简单方便： 作，避免了现场制将其拔出，操 成本；3 、钢面板后有 作，保证了钢围堰 作简单：2 、底板为分开的，每一块水箱，可以消能 的可靠性和强度；3 、使用钢管围堰由两块底板组成地 防冲，避免了堰 3 、由于钢面板后有桩，抗倾覆和形的适应性较强可适用顶溢流时对河 优 水箱，可以消能防抗滑较好，因于河底起伏较大的河道； 道地基产生的 冲，避免了埋顶溢流此结构稳定。3 、施工简单、方便、快速，冲刷。 时对河道地基产生几乎不需要土石方工作， 的冲刷。 只需现场人工打入即可 点 也不需要重型机械； 4 、面板击入河道0 5 m 有 效的阻止了河道渗漏，抗 渗效果好漏水 少； 5 、面板与水平面成7 5 0 角， 这样使人工打击时较方 便，同时可以利用一部分 水重增加结构的稳定性； 6 、背水面有水箱，可以短 期溢流： 2 0 l 、由于采用整体焊1 、由于桩基 1 、加工较复杂，制作成本1 、由于桩基对 接式，外形尺寸很 对强度要求较高；强度要求较高， 大，运输不便，运较高，加工精2 、施工时要求精度控制较加工精度要求 输成本高；度要求较高。好，不能够偏差太大。较高，因此，加 2 、对河道的地形适因此，加工费 工费用较高，成 应性很差，底板采 用较高，成本本较高； 用2 3 m 1 5 m 的 较高； 2 、挡水面板使 整块钢板制成，要2 、结构较大， 用8 m m 钢板做 求河道底部非常平运输较困难； 成，成本较高， 缺 整，又由于河道底3 、施工时，因又面板上没有 部起伏不定且变化不是使用机械 加粱，故其挠度 较大，因此该方案旌工，而是人 较大； 的现场操作性很 力施工，面两3 、桩基上没有支 点 差； 桩基较高，使 定陛较差。又结一 3 、每一块钢围堰的两桩基打入土 运输较困难； 重量太大，达到较困难；4 、施工时因 5 0 0 k g 左右。由于施 4 、而且桩基的 不是使用机械 工条件的限制，本 挠度较大。稳施工，而是人力 次施工主要靠人力定性较差。 施工，而两桩基 完成，施工机械很 较高使两桩 难到达，因此太大 基打入土较困 的重量对于人力施 难： 工来说是很困难 5 、基的挠度较 的。 大，稳定性较差。 综合考虑各方面的影响，我们认为方案三对于洪汝河的实际情况是切实可行 的，这种方案既集成了土围堰的施工简单快捷的优点，又集成了钢围堰安全、可 靠，可重复利用，单位成本造价低，对环境影响小的长处。同时，方案三采用零 件装配的形式，对河底地形的适应性好；每个零件的单位重量低，解决了施工以 人力为主的难题。因此我们采用方案三作为本次研究的推荐方案。 2 3 2 具体方案设计 根据【2 6 ，2 7 ，2 8 】关于面板的计算，先估算面板厚度。因为河底地形起伏不 定，有的地方较高，有的地方较低，而挖泥船旖工所需最低水深为2 o m ，因此 为节省工程造价，研究和设计几种不同规格的钢围堰。 以下分别介绍3 ，o m 、2 7 m 、2 5 m 、2 o m 和1 5 m 五种不同高度的钢围堰设 计。考虑到汛期钢围堰需要短时间溢流，因此设计时考虑o 5 m 的溢流水深”2 3 “。 2 3 2 13 o m 高度的新型钢围堰设计 1 、钢面板设计 估算面板厚度： 2 计算如表1 1 图1 33 0 m 高度时粱格布置图 表1 1 3 0 m 高度时面板厚度计算 板 号 b ( m m ) a ( m m ) b ak h ( m ) p ( n m m 2 )t ( m m ) 115 0 0 7 0 02 1 40 6 9 70 8 3 8 0 0 0 8 23 4 4 215 0 0 6 0 02 5 00 51 4 6 60 0 1 4 4 3 3 0 3 1 5 0 05 0 02 7 00