水利与水运工程关于内河重力墙结构的设计差异.docx

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水利与水运工程关于内河重力墙结构的设计差异

水利与水运工程关于内河重力墙结构的

设计差异

沈建霞1,黄海田2,钱祖宾3

（1.江苏省交通科学研究院股份有限公司,江苏南京210017;2.江苏省水利工程质量监督中心站,

江苏南京210029;3.江苏省水利勘测设计研究院有限公司,江苏扬州225009

摘要:

水利与水运工程虽同属土木工程范畴的水工建筑物,但由于长久以来服务对象的区别,所属行业分支及管理部门不同,以及两个行业之间缺乏有效沟通,因此设计中间遵循的基本原则及设计思路存在较大差异。

对同一结构物设计,其工期、造价往往会有较大区别。

以内河重力墙结构为例,对水利与水运工程的设计差异及各自的设计特点进行分析,以期今后的水工结构物设计能够融合两个系统设计理念的精髓,形成统一的设计思路和标准,达到安全、耐久、节约投资的目的。

关键词:

水利工程;水运工程;内河;重力墙;设计思路;设计标准中图分类号:

TV222

文献标志码:

A

文章编号:

1002-4972（201107-0041-04

Designdifferenceofinlandgravitationalretainingwallbetween

hydraulicandwatertransportationstructures

SHENJian-xia1,HUANGHai-tian2,QIANZu-bin3

（1.JiangsuTransportationResearchInstitute,Nanjing210017,China;2.HydraulicEngineeringQualitySupervisionStationofJiangsu

Province,Nanjing210029,China;3.JiangsuWaterInvestigation,DesignandResearchInstitute,Yangzhou225009,China

Abstract:

Hydraulicstructuresandwatertransportationstructuresarebothwater-relatedstructures

belongingtocivilengineeringworks.However,duetothedifferenceofserviceclients,designandsupervisiondepartments,andthelackofeffectivecommunicationsinthelongterm,thereexistsgreatdifferenceonthemaindesignprincipalsandmethods.Thus,theconstructionperiodandcostcanbedifferentgreatly.Taketheinlandgravitationalretainingwallasanexample,webringforwardthedifferenceofthedesignmethodsanddesigncharacteristicsbetweenhydraulicstructuresandwatertransportationstructures,hopingthatfuturestructuraldesigncantaketheadvantagesofalltheengineeringworksandcomeupwithaunifieddesignmethod,whichwillguaranteethesafety,durabilityandeconomy.

Keywords:

hydraulicstructures;watertransportationstructures;inlandriver;gravitationalretainingwall;

designidea;designstandard

收稿日期:

2011-01-02

作者简介:

沈建霞（1971—,女,博士,高级工程师,从事水工程设计工作。

2011年7月

第7期总第455期Jul.2011

No.7SerialNo.455

水运工程

Port&WaterwayEngineering水利工程属于水利行业,是指对自然界的地表水和地下水进行控制、治理、调配、保护、开发利用,以达到除害兴利的目的而修建的工程,为非盈利性质的基础设施工程,主要包括水闸、泵站、涵洞、渠道等涉水建筑物。

水运工程属于交通运输行业,是指港口工程、航道工程、航标

工程、通航建筑物工程、修造船水工建筑物工程、安装工程和支持系统及其辅助和附属工程等,大部分带有盈利性质,主要包括码头、航道、船闸、船坞、船台等涉水建筑物。

水利及水运工程虽同属土木工程范畴的水工

建筑物,但由于长久以来服务对象的区别,所属

水运工程2011年

行业分支及管理部门不同,以及两个行业之间缺乏有效沟通,因此设计中间遵循的基本原则及设计思路也存在较大差异。

尤其是近年来水运及水利行业都开始扩大自己的业务范围,部分设计内容诸如码头、航道、船闸等结构物出现了交叉重叠情况。

由于设计思路不同,其工期、造价往往会有较大区别。

为分析这种差异,本文选取内河重力墙结构进行分析。

对水利工程来说,重力墙结构主要应用于水闸、涵洞等建筑物的上下游翼墙,为主体建筑物同上下游河道的衔接部分,其特点是利用围堰挡水实现干法施工。

对水运工程来说,重力墙结构主要应用于航道、船闸上下游引航道、停泊锚地及内河码头,虽大多同样采取干法施工,但其设计在很大程度上沿袭了外海码头的一些做法,融入了更多风暴潮及抛石基床、预制安装等概念。

由于历史渊源不同,故即便是对同一功能的建筑物,受各自传统习惯的影响,其设计指导思想和结果也往往会有较大差异。

1水利和水运内河重力式码头的设计区别

对于内河重墙结构,水利与水运工程的设计区别主要有以下几个方面:

1历史发展及服务对象的不同。

水利和水运工程的发展历史及服务对象的差异是导致二者不同的主要根源:

水利工程的特点是同地基直接接触,受风浪影响比较小,基本上以干法施工为主,这些特征同内河重力墙结构的设计特点基本相同。

水运工程中的内河重力墙结构设计受外海码头的影响,考虑更多预制安装、抛石基床及风暴潮的因素。

2设计规范不同。

水利工程的重力墙结构设计采用水利行业规范SL379—2007《水工挡土墙设计规范》[1]。

水运工程的重力墙结构设计没有专门规范,但重力式码头设计遵循中华人民共和国行业标准JTS167-

2—2009《重力式码头设计与施工规范》[2]。

3结构设计方法不同。

对水利工程来说,目前所有规范均采用的是用统一安全系数表达的定值设计法,其计算过程简单明了,设计人员往往通过手算或自编简单的小程序来辅助设计,便于追寻计算中出现的问题及把控影响其经济性、安全性的主导因素,工程设计的实际裕度可以通过最终的安全系数来表达。

对于水运工程来说,除船闸规范采用的是定值设计法外,其它规范均采用的是用分项系数表达的极限状态设计法。

该方法应用了可靠度的概念,其结果更为科学,但由于其取值较为繁琐,手算往往花费的时间更长。

目前设计人员倾向于采用大型结构设计软件（比如丰海或易工软件进行计算,因此对计算中可能出现的问题追溯相对困难,由于计算中的系数较多,其设计的实际安全裕度往往较难准确估计。

4设计思路不同。

水利与水运工程重力墙结构设计思路的差异主要表现在对结构偏心的处理方面。

对水利工程来说,重力墙结构均为干法施工、现场浇筑混凝土或浆砌块石,为防止墙体的不均匀沉降及倾覆,其设计重点放在调整结构偏心上,结构偏心的调整通过控制重力墙底板的基底不均匀系数来解决,由于在不同工况下的结构偏心可以通过调整前齿长度及底板宽度来完成,因此对地基承载力足够的情况,不需要使用抛石基床来对墙底的压力进行扩散,这在客观上降低了工程投资。

水运结构物的设计借鉴了岩基及外海码头的做法:

外海码头结构物往往受风浪的影响比较大,因此设计时重力墙前趾及其前沿护底往往采用块石保护,又外海码头结构往往采用预制方式比较多,因此要求前趾不能太大,这种要求也逐渐影响到以现浇为主的重力墙设计。

以重力式码头设计为例,JTS167-2—2009《重力式码头设计与施工规范》[2]中7.0.2条就规定,对于现浇混凝土或浆砌石码头设计,码头的前趾长度与趾高之比,对砌石可采用0.3~0.5m,对混凝土可采用0.7~1.0m。

根据这条规定,码头前趾长度限值在1.0m左右,对常规的重力式码头来说,是不能满足偏心限值要求的。

为控制偏心过大,设计中在码头底板下往往采用抛石基床,通过抛石基床来调整因前趾太短所造成的结构偏心。

42··

第7期目前长三角地区的内河码头基本上以土基、干法施工、现场浇筑为主,因此水利工程的设计思路往往更合适内河重力墙结构设计。

其通过调整前齿长度,而不是抛石基床的调偏方式往往更有效也更经济,由于避免了基坑深挖,对施工降排水、施工围堰的填筑及缩短施工周期都起到了积极的作用。

5安全控制指标不同。

由于遵循不同的设计规范,其设计思路差别较大,因此水运及水利设计时对重力墙的安全控制指标也有所不同。

水利工程设计时,对重力墙结构的控制指标为抗滑安全系数及基底不均匀系数。

水运工程设计时,对重力墙的控制指标为稳定力与滑动力的比值及稳定力矩与滑动力矩的比值,前者为对墙底面及基床底面的抗滑指标,后者为对墙底面的抗倾指标。

在JTS167-2—2009《

重力式码头设计与施工规范》[2]

中2.5.5条规定,合力标准值作用点

与前趾距离的最小值,对非岩石地基不宜小于墙底宽度的1/4,该条虽对合力偏心做了规定,但要求非常宽松,根据材料力学原理,当合力标准值作用点距离前趾小于墙底宽度的1/3时,截面上便出现拉应力,见图1。

由图1可见,图中斜线范围内虽可满足规范要求,但基底仍会出现拉应力,由此可见该条对控制结构偏心基本不起作用。

6墙后排水的设置。

对于墙后排水的设计高程及数量,水利及水运工程设计也略有不同。

对于水利工程设计,墙后排水管的最低位置往往设计得比最低水位略高,施工期为满足码头稳定性要求,其墙后降水通过针井结合深井排水解决。

对水运工程设计来说,JTS167-2—2009《重

力式码头设计与施工规范》

[2]

中8.0.4条明确规定,最下一层排水孔应低于最低水位。

因此重力墙墙身往往设置2排以上排水管。

这样在码头施工期间,墙后排水可以通过墙身最底层的排水管来排水,从而节省码头施工期墙后的抽排水费用。

从上面的分析来看,重力墙墙身设置多层排水管,增加投资不多,但可以快速有效地降低墙后地下水位,维持码头抗滑稳定,在施工期也可以减少抽排水费用,因此水运工程的设计习惯更安全经济。

但在施工中要注意排水孔后反滤层的施工质量,防止因滤层破坏而导致墙后土流失。

2

设计算例

下面通过一个简单算例来说明水利与水运工程重力墙结构的设计区别。

图2,3分别为相同设计条件下水利及水运工程典型的设计断面。

设计中假定该重力墙结构为2级水工建筑物,墙后填土内摩擦角28°（水上水下相同,粘聚力0,底板与土之间的基底综合摩擦系数为0.41,底板与抛石基床及抛石基床与地基之间的综合摩擦系数均为0.45,系缆力100kN。

对于水利设计断面,其前齿为2.0m,相对水运设计的1.0m要长。

水利设计断面的底板宽度为7.9m,水运设计断面的底板宽度为7.2m。

现对图2水利工程典型断面,采用水利及水运控制指标分别进行计算,其计算结果见表1和表2

。

图1

合力作用点范围

图2水利工程典型断面

沈建霞,等:

水利与水运工程关于内河重力墙结构的设计差异

43··

水运工程2011年

图3水运工程典型断面

对比表1和表2可以看出:

1对于抗滑而言,虽然两者控制指标不同（水利工程设计采用的是抗滑安全系数表达法,水运工程采用的是抗滑力与滑动力的比较,但二者的计算结果均在规范的限值附近,说明二者的计算精度相当,在设计中可以替换使用。

2

对于偏心的控制,水利工程设计中采用不均匀系数来控制,其计算结果在规范限值附近。

水运工程设计中采用抗滑力矩与滑动力矩的比值,从表2最后2列的计算结果可以看出,其抗滑力矩远大于滑动力矩。

说明水利工程设计对偏心的要求相比较水运工程来说要严格得多。

实际工程设计中也证明,运用水运方式来设计时,对于土基而言,其抗倾基本不需要验算。

对于图3水运工程典型断面,其计算控制参数包括沿底板底面的抗滑及抗倾安全复核及沿抛石基床底面的抗滑安全复核,其控制参数较多,比较结果基本相同。

3结语

1就内河重力墙结构设计而言,在拟定设计

断面时,如果地基承载力稍低于基底压力或基底下的软弱土层较薄,可以采用抛石基床的方式来解决,从而避免地基处理,节约工程投资。

如果地基承载力高于基底压力,采用通过前齿调偏的水利工程的设计思路更为合适,可以节约工程投资、缩短施工工期、降低施工难度。

另外,如果重力墙结构的地基土抗冲刷能力不能满足要求,也必须采用抛石基床的设计方式。

2虽采用的结构设计方法不同,但水利及水运工程设计对抗滑的要求基本相当,二者可以替换使用。

水利和水运工程同属土木工程范畴的水工建筑物,其设计本身没有严格界限,因此其设计思路和方法也应该是相同的。

通过上述算例的分析结果,笔者希望今后的水工结构物设计能够融合两个分支体系的设计理念的精髓,形成同一的设计思路和标准,以期达到安全、经济、耐久的效果。

参考文献:

[1]SL379—2007水工挡土墙设计规范[S].

[2]JTS167-2—2009重力式码头设计与施工规范[S].[3]张士儒,夏维城.水闸[M].北京:

水利电力出版社,1986.

（本文编辑郭雪珍

表1水利典型断面水利计算方法计算结果

水位/m偏心e/m抗滑安全系数Kc抗滑安全系数允许值[Kc]不均匀系数允许值[η]墙前墙后PmaxPmin01.50.16145.7163.3128.11.271.511.152.50设计低水位3.54.00.31124.4153.295.61.601.421.302.50设计高水位7.07.00.27101.5122.480.61.521.671.302.507度地震

5.0

5.5

0.64

113.5

169.0

58.1

2.91

1.13

1.05

3.00

工况完建期地基反力/kPaP不均匀系数η

表2水利典型断面水运计算方法计算结果

工况水位/m偏心e/m地基反力

/kPa抗滑验算抗倾验算

墙前墙后PmaxPmin滑动力/kN抗滑力/kN滑动力矩/（kN·m抗滑力矩/（kN·m

完建期01.50.16163.3128.1416.0473.91251.15305.7设计低水位3.54.00.31153.295.6376.6405.01213.24503.5设计高水位7.07.00.27122.480.6267.1330.9889.03620.47度地震

5.0

5.5

0.64

169.0

58.1

368.1

369.8

470.6

4081.6

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