水利与水运工程关于内河重力墙结构的设计差异.docx

1、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

2、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:TV 222文献标志码:A文章编号:1002-4972(2011 07-0041-04Design difference of inland gravitational retaining wall betweenhydraulic and water transportation structuresSHEN Jian-xia 1, HUANG Hai-

3、tian 2, QIAN Zu-bin 3(1.Jiangsu Transportation Research Institute, Nanjing 210017, China; 2. Hydraulic Engineering Quality Supervision Station of JiangsuProvince, Nanjing 210029, China; 3. Jiangsu Water Investigation, Design and Research Institute, Yangzhou 225009, ChinaAbstract:Hydraulic structures

4、 and water transportation structures are both water-related structuresbelonging to civil engineering works. However, due to the difference of service clients, design and supervision departments, and the lack of effective communications in the long term, there exists great difference on the main desi

5、gn principals and methods. Thus, the construction period and cost can be different greatly. Take the inland gravitational retaining wall as an example, we bring forward the difference of the design methods and design characteristics between hydraulic structures and water transportation structures, h

6、oping that future structural design can take the advantages of all the engineering works and come up with a unified design method, which will guarantee the safety, durability and economy.Key words:hydraulic structures; water transportation structures; inland river; gravitational retaining wall;desig

7、n idea; design standard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. 2011No. 7Serial No. 455水运工程Port &Waterway Engineering 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

8、、 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

9、。 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

10、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 SL 379 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 JTS 167-2 2009 重力式

11、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

12、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

13、: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, JTS 167-2 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 0.30.5m ,对混凝土可采用 0.71.0m 。 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

14、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

15、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 JTS 167-2 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,

16、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, JTS 167-2 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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、达到安全 、 经济 、 耐久的效 果 。 参考文献:1SL 379 2007水工挡土墙设计规范 S.2JTS 167-2 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 K c 抗滑安全系数 允许值 K c 不均匀系数 允许值 墙前 墙后 P max P min 01.50.16145.7163.3128.11.271.511.152.50设计低水位 3.54.00.31124.4153.295.61.601.421.302.50设计高

22、水位 7.07.00.27101.5122.480.61.521.671.302.507度地震5.05.50.64113.5169.058.12.911.131.053.00工况 完建期 地基反力 /kPaP 不均匀系数 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 P max P min 滑动力 /kN抗滑力 /kN滑动力矩 /(kNm 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5.05.50.64169.058.1368.1369.8470.64081.644