北引渠首泄洪閘弧形閘門(mén)支座設(shè)計(jì)

許春波，邵 俊

(1. 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080;2. 德陽(yáng)市水務(wù)局，四川 德陽(yáng)618000)

1 工程概況

北引渠首泄洪閘位于嫩江主河床樞紐樁號(hào)2 +473.5 ～2+697 處，泄洪閘設(shè)計(jì)泄流量4 629 m3/s，相應(yīng)閘上水位179.04 m，閘下游水位178.87 m; 泄洪閘校核泄流量5 156 m3/s，相應(yīng)閘上水位179.73 m，閘下水位179.54 m。泄洪閘位于主河槽上，最大過(guò)閘流量＞5 000 m3/s，對(duì)樞紐安全起主要控制作用，按最大過(guò)閘流量確定為1 級(jí)建筑物，按50 a一遇洪水設(shè)計(jì)，200 a一遇洪水校核。

渠首泄洪閘為平底板開(kāi)敞式閘，閘室段采用鋼筋混凝土“U”型槽結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)22.5 m，共12 孔，每孔凈寬16 m，總凈寬192 m，泄洪閘縱軸線與水流方向一致以保證泄流平順。堰型采用寬頂堰，閘底高程平河底高程為169.0 m，墩頂高程181.80 m，泄洪閘設(shè)弧形工作閘門(mén)12 孔，用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。工作門(mén)前設(shè)一道檢修門(mén)，共設(shè)2 扇檢修閘門(mén)，用單向門(mén)式啟閉機(jī)啟閉。

弧形工作閘門(mén)基本參數(shù):選用長(zhǎng)×寬為16 m×7.7 m，水頭7.2 m 弧形閘門(mén)12 孔。閘門(mén)底坎高程169.00 m，支鉸高程176.70 m。閘門(mén)采雙主橫梁斜支臂球型鉸結(jié)構(gòu)，弧門(mén)半徑R為10.5 m，正常擋水高度H 為7.2 m，風(fēng)浪超高a 為0.5 m。閘門(mén)面板厚δ 為10 mm，主梁梁高h(yuǎn)0為1 400 mm，支臂梁高h(yuǎn)i為600 mm，剛度比K 為5.047。閘門(mén)啟門(mén)力FQ為2 120 kN，閉門(mén)力Fw為－308kN，能靠自重閉門(mén)。啟閉機(jī)采用QHLY2 ×1250kN 液壓弧門(mén)啟閉機(jī)。閘室段結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1

圖1 閘室段結(jié)構(gòu)圖

2 渠首泄洪閘弧門(mén)支座設(shè)計(jì)

2.1 基礎(chǔ)資料

混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值表 N/mm2

表2 混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值表 N/mm2

2.2 計(jì)算閘墩一側(cè)弧門(mén)支座推力值FK

計(jì)算工況為閘門(mén)關(guān)閉時(shí)引水水位為176.20 m時(shí): 孔口寬度B 為16 m，底砍高程為169 m，弧門(mén)半徑R 為10.5 m，

計(jì)算數(shù)據(jù)如下:

浪壓力= 766.9 kN

靜水壓力:水平靜水壓力=4147.2 kN，垂直靜水壓力=2594.7 kN

浪壓力與靜水壓力總合計(jì)即為閘墩弧門(mén)支座推力值=5 557.0 kN，則閘墩一側(cè)弧門(mén)支座推力值FK=2 779 kN，與水平方向的夾角α =31.1°。

2.3 弧門(mén)支座參數(shù)

初擬弧門(mén)支座尺寸，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 弧門(mén)支座基本參數(shù)表

根據(jù)不同的混凝土強(qiáng)度等級(jí)、弧門(mén)支座寬度b 和縫墩厚度B，初擬9個(gè)方案進(jìn)行比選，各個(gè)方案見(jiàn)表4。

表4 弧門(mén)支座方案表 m

2.4 弧形支座附近閘墩的局部受拉區(qū)的裂縫控制

應(yīng)滿(mǎn)足下列公式要求:

1) 閘墩受兩側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí):

2) 閘墩受一側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí):

式中: FK為按荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的閘墩一側(cè)弧門(mén)支座推力值，N; b 為弧門(mén)支座寬度，mm; B 為閘墩厚度，mm; eo為弧門(mén)支座推力對(duì)閘墩厚度中心線的偏心距，mm; ftk 為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2;不能滿(mǎn)足上式要求時(shí)，應(yīng)加大弧門(mén)支座寬度或提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 弧門(mén)支座附近閘墩的局部受拉區(qū)得裂縫控制計(jì)算表

2.5 閘墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋的計(jì)算

閘墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋截面面積應(yīng)滿(mǎn)足下列公式要求:

1) 閘墩受兩側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí):

2) 閘墩受一側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí):

式中: K 為承載力安全系數(shù)，泄洪閘為1 級(jí)建筑物，查表為1.35; F 為閘墩一側(cè)弧門(mén)支座推力的設(shè)計(jì)值，N; Asi 為閘墩一側(cè)局部受拉范圍內(nèi)的第i 根局部受拉鋼筋的截面面積，mm2;fy 為局部受拉鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2; B'0為受拉邊局部受拉鋼筋中心至閘墩另一邊的距離( mm) ; αs為局部受拉鋼筋合力點(diǎn)至截面近邊緣的距離; θ 為第i 根局部受拉鋼筋與弧門(mén)推力方向的夾角。閘墩局部受拉鋼筋宜優(yōu)先考慮扇形配筋方式，扇形鋼筋與弧門(mén)推力方向的夾角≤30°，扇形鋼筋應(yīng)通過(guò)支座高度中點(diǎn)截面上的2 b 有效范圍內(nèi)，b 為弧門(mén)支座寬度。

閘墩局部受拉鋼筋從弧門(mén)支座支承面( 截面1—1) 算起的延伸長(zhǎng)度，≥2.5 h( h 為支座高度) 。局部受拉鋼筋宜長(zhǎng)短相間地截?cái)?。閘墩局部受拉鋼筋的另一端應(yīng)伸過(guò)支座高度中點(diǎn)截面( 截面2—2) ，并且至少有一半鋼筋應(yīng)伸至支座底面( 截面3—3) ，并應(yīng)采取可靠的錨固措施，詳見(jiàn)圖2

當(dāng)弧門(mén)支座距離閘墩頂部距離較小時(shí)，在閘墩頂部宜配置一至二層水平限裂鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑可取16 ～25 mm;間距可取150 ～200 mm。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 閘墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋的計(jì)算

2.6 弧門(mén)支座的剪跨比

弧門(mén)支座的剪跨比a/h0宜＜0.3( a 為弧門(mén)推力作用點(diǎn)至閘墩邊緣的距離) ，其截面尺寸應(yīng)符合下列要求:

1) 弧門(mén)支座的裂縫控制要求;

2) 支座的外邊緣高度h1≥h /3。

3) 在弧門(mén)支座推力標(biāo)準(zhǔn)值Fk作用下，支座支撐面上的局部受拉應(yīng)力≤0.75 fc，否則應(yīng)采取加大受壓面積、提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)或設(shè)置鋼筋網(wǎng)等有效措施。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 弧門(mén)支座尺寸應(yīng)符合的要求

2.7 弧門(mén)支座的縱向受力鋼筋截面面積計(jì)算

弧門(mén)支座的縱向受力鋼筋截面面積按下列公式計(jì)算:

式中: As為受力鋼筋的總截面面積，mm2; α 為弧門(mén)支座推力作用點(diǎn)至閘墩邊緣的距離，mm; fy 為受力鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

承受弧門(mén)支座推力所需的受力鋼筋的配筋率≥0.2%。中墩支座內(nèi)的受力鋼筋宜貫穿中墩厚度，并應(yīng)沿弧門(mén)支座下彎深入墩內(nèi)≥15 d( 見(jiàn)圖3) ，在此，d 為受力鋼筋直徑。邊墩支座內(nèi)的受力鋼筋應(yīng)伸過(guò)邊墩中心線后在延伸一個(gè)錨固長(zhǎng)度la，另一端伸入墩內(nèi)的長(zhǎng)度≥15 d。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

圖3 中墩弧門(mén)支座截面構(gòu)造圖

2.8 弧門(mén)支座箍筋的設(shè)置

弧門(mén)支座應(yīng)設(shè)置箍筋，箍筋直徑應(yīng)≥12 mm，間距可為150 ～250 mm，且在支座頂部2 h0/3 范圍內(nèi)的水平箍筋總截面面積不應(yīng)小于受力鋼筋截面面積的50%。對(duì)于承受大推力的弧門(mén)支座，宜在垂直于水平箍筋的方向布置適當(dāng)?shù)拇怪惫拷?。?jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。

表8 弧門(mén)支座的縱向受力鋼筋配筋計(jì)算

表9 弧門(mén)支座水平箍筋配筋計(jì)算表

根據(jù)結(jié)構(gòu)及配筋計(jì)算結(jié)果，泄洪閘弧門(mén)支座方案工程量及投資見(jiàn)表10。

表10 北引渠首泄洪閘弧門(mén)支座方案工程量及投資表

根據(jù)表10 分析可知，以工程量投資角度方案2、3、4 較優(yōu)，由于泄洪閘閘室底板及閘墩混凝土選用的強(qiáng)度等級(jí)為C 20，為了避免水化熱過(guò)大引起混凝土開(kāi)裂的危害，弧門(mén)支座及扇形筋附近混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不宜與C 20 跨度太大，否則，容易出現(xiàn)裂縫，綜合考慮各方面因素，最終選定方案二。

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 弧門(mén)支座是一個(gè)短懸臂構(gòu)件，起著將荷載傳遞給閘墩的作用，其可靠性關(guān)乎整個(gè)溢流建筑物的安全，應(yīng)給予足夠重視。

2) 弧門(mén)支座的設(shè)計(jì)不僅要保證支座及閘墩本身的強(qiáng)度，還要保證兩者的連接強(qiáng)度。

3) 過(guò)弧門(mén)支座結(jié)構(gòu)及配筋計(jì)算，經(jīng)過(guò)分析、論證和比較后，確定合理方案和設(shè)計(jì)成果。使之所提出的成果達(dá)到安全可靠、經(jīng)濟(jì)、合理。

［1］水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院. L191—2008 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.

［2］黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 尼爾基水利樞紐配套項(xiàng)目黑龍江省引嫩擴(kuò)建骨干一期工程可行性研究報(bào)告［R］. 哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2010.