預應力技術在朝東圩港樞紐閘站工程中的應用

吳昌新 林 農 陳 堅 徐子令

預應力技術在朝東圩港樞紐閘站工程中的應用

吳昌新 林 農 陳 堅 徐子令

一、工程概況

1.基本情況

張家港市朝東圩港樞紐閘站工程位于張家港市朝東圩港河道與長江的交匯處，距長江邊200m。工程以防洪、排澇、擋潮、引水為主，兼顧通航。泵站在枯水期從長江引水通過朝東圩港將水送至市區河道，改善城區河道水環境；當汛期潮位高于內河水位時通過泵站抽排。節制閘主要作用為排除汛期朝東圩港圩區澇水，或者通過自引江水送水到市區河道。朝東圩港為VI級航，通過節制閘通航孔通航。

2.工程地質

節制閘底板底高程為-1.8m，位于②層（Q4al-pl）青灰、灰色粉砂夾薄層粉質粘土，松散，中壓縮性，中等透水，力學強度低，地基承載力為75kPa。泵站底板底高程為-5.6m，位于③層（Q4al-pl）灰色淤泥質粉質粘土、重粉質壤土，夾薄層砂壤土，流塑，高壓縮性，極微透水，力學強度低，地基承載力為60kPa。節制閘和泵站地基均需要處理。

二、工程特點及關鍵技術

1.工程總體布置

朝東圩港樞紐閘站工程由節制閘和泵站兩部分組成，從減少征占地、便于運行管理以及進出水引河的流態等因素考慮，采用閘站結合的布置方案，泵站采用堤身式布置，站身順水流向總長為30.50m，總寬17.50m，進出水流道采用“X”字型雙向流道，可抽排、抽引，亦可利用下層流道開通自排、自引。

因節制閘與泵站底板高程相差4m，兩座建筑物之間的連接成為設計的重點和難點。本工程設計采用空箱隔墻及上、下游導流墻分隔節制閘和泵站，既解決了高差問題，又改善了進出水的水流條件，提高了泵站的運行效率，同時防止了河道的沖刷。空箱隔墻寬6m，長30.5m；上游導流墻長31.5m，下游導流墻長24.5m。

2.地基處理方案選擇

由于樞紐場地為長江下游沖積平原區，場地土類型為軟弱場地土，強度較低，力學性能差，需進行地基處理。設計對水泥土深攪樁復合地基和鉆孔灌注樁基礎兩種方案進行了比較，從造價分析看，水泥土深攪樁比鉆孔灌注樁投資少，但從張家港市以往施工過的同類泵站情況看，水泥土深攪樁的安全可靠度較差，質量難以控制，且施工周期長、施工工藝要求高、質量檢測也較復雜。鉆孔灌注樁基礎造價相對高一些，但施工工藝成熟，質量易于控制，且施工期短。考慮到該樞紐工程施工工期緊，同時地方對該樞紐工程的安全性要求較高，故設計泵站、節制閘、中隔墩及上、下游導流墩以及上、下游翼墻均采用Φ0.8m的C25鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基礎處理方案。站身部位樁中心距2.4 m×2.65m；節制閘閘墩部位樁中心距2.4 m×2.4m。為滿足防滲要求，在泵站和節制閘上、下游底板下采用0.22m厚C25混凝土地下連續墻與上下游翼墻連接形成封閉，較好地解決了地基防滲問題。地下連續墻在節制閘部位墻底高程為-8.0m，在泵站和翼墻部位墻底高程為-10.0m。

3.預應力技術應用于水工建筑物

節制閘底板為42m長一塊整底板，超過水閘設計規范規定的土基上分段長度不宜超過35m的要求。根據節制閘底板內力計算結果，按普通鋼筋混凝土結構受彎構件承載能力極限狀態計算，底板面層應配置Φ25@100受力鋼筋，按正常使用極限狀態控制裂縫寬度要求計算，應配置單層Φ25@75受力鋼筋或者雙層Φ25@150受力鋼筋。鋼筋配置太密，用鋼量較大，混凝土的振搗較難密實，為此特引入部分預應力混凝土設計理念。設計中考慮將底板面層和底層鋼筋各設置為兩層，外層配置一層Φ25@100受力鋼筋，主要作為結構受力鋼筋；內層配置一層預應力鋼筋，主要作為結構抗裂鋼筋，并且設置后澆帶。在底板中預埋波紋管，先期管中通水降低底板內部混凝土溫度，底板達到設計強度后再進行預應力張拉。在底板垂直水流方向距離面層和底層20cm位置布置預應力鋼筋，預應力鋼筋采用7Φ4鋼絞線，間距0.8m。張拉時單束鋼絞線張拉控制力為84kN，上、下層同時張拉，張拉次序按鋼絞線編號對稱張拉。底板順水流方向在兩邊孔各設置一道寬1.0m后澆帶，頂部和底部采用2[14a槽鋼進行橫向頂撐，豎向采用∠7×4角鋼與槽鋼焊接形成骨架。在底板預應力張拉結束后采用C30微膨脹混凝土澆筑。通過這些措施，較好地解決了超長底板溫度應力和不均勻沉降等問題。

4.機泵選型及流道設計

該泵站主要任務是引長江水治理城市水環境，且兼有排澇功能，屬于低揚程泵站，設計對臥式軸流潛水泵方案和立式開敞式軸流泵方案進行了比選。根據朝東圩港樞紐排、灌、引的要求，結合土建部分的設計，綜合考慮運行性能的穩定可靠性，機泵安裝、維修保養、經費投資等原則，設計采用立式開敞式軸流泵方案，選取2臺2000ZLB16-3.9開敞式立式軸流泵。單機設計流量為16m3/s，總設計流量為32m3/s。泵站采用2臺TL900立式同步電機，單機容量為900kW。由于泵站選用同步電機，可向電網輸送無功功率，不需進行無功補償。

在流道設計中對單向流道和雙向流道從裝置效率、經濟性及運行管理等方面進行了比較，設計采用雙層涵洞式進出水流道，流道進、出口設置兩道閘門，通過閘門控制可方便地實現雙向抽水，也可利用下層流道自排、自引。單孔流道凈寬6.5m，共2孔，上層流道凈高3.0m，下層流道凈高3.2m。為了改善水泵進口處的流態，水泵葉輪室進口下方增設混凝土喇叭管，葉輪下部設導水錐。

三、工程先進性和創新特點

預應力混凝土是為了避免鋼筋混凝土結構的裂縫過早出現，充分利用高強鋼筋及高強混凝土，設法在混凝土結構承受使用荷載前，通過施加外力，使構件受到的拉應力減小，甚至處于壓應力狀態下的混凝土構件。目前，預應力混凝土已經廣泛用于工業與民用建筑及交通工程，但預應力技術在水利工程中的應用還比較少。該工程將預應力技術應用到超長節制閘底板中，創新地解決了復雜結構與地基情況下大規格底板的設計問題，成功地實現了預防不均勻沉降和溫度應力影響產生的裂縫等技術難點，與國內外同類工程先進程度相比較處于領先地位。

節制閘底板厚1.8m，屬于大體積混凝土，借鑒船閘工程的設計經驗，通過設置后澆帶，能有效地降低邊荷載，減少底板彎矩，并且有利于大體積混凝土的散熱，減少因水化熱產生的溫度裂縫。

四、結語

張家港市朝東圩港樞紐工程建成后底板未見任何裂縫，投入使用以來，運行情況良好。預應力技術在水利工程結構設計中的成功實踐與應用，減少因結構太長而設置伸縮縫產生的不均勻沉降和溫度應力影響產生的裂縫，為超長結構的設計提供了有價值的經驗。在南水北調東線泗洪站樞紐工程船閘閘首工作橋19.2m長框架梁中也采用預應力結構，降低了梁高，減少了梁的撓度，防止了裂縫產生。該技術在同類型的水閘義澤河閘41.4m長的一塊超長底板中也得到了成功的應用。預應力技術還可以應用于大型泵站的進出水流道以及大型水閘的公路橋和工作橋梁等結構以防止溫度應力，具有廣泛的應用前景。

（作者單位：淮安市水利勘測設計研究院有限公司 223005）

（專欄編輯：張 婷）