重點(diǎn)輸水工程取水口閘門臨時(shí)下閘安全評(píng)價(jià)

喬國(guó)龍

（遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

1 概況

遼寧省重點(diǎn)輸水工程取水口位于HR水庫(kù)庫(kù)區(qū)，由取水口構(gòu)筑物、地下消能電站、無(wú)壓隧洞組成。水庫(kù)校核洪水位309.1 m，取水口處高程為285.0 m，取水口基坑開挖采用預(yù)留巖坎加圍堰擋水的施工方案。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為單列雙層布置取水，下層取水口底高程258.2 m，上層取水口底高程271.0 m，取水孔口尺寸均為6.0 m×7.0 m。每個(gè)取水口均設(shè)有工作閘門，工作閘門下游設(shè)有擋水胸墻。取水口后接有2條長(zhǎng)為156.7 m的圓形壓力隧洞，成洞洞徑為4.5 m，隧洞起點(diǎn)底板高程258.2 m。每條壓力隧洞進(jìn)口各布置有1孔事故檢修閘門，檢修閘門孔口尺寸為4.5 m×6.75 m（寬×高）。

取水口金屬結(jié)構(gòu)：HR取水首部進(jìn)口設(shè)置1孔攔污柵，然后依次設(shè)置為可分2層取水的取水工作閘門。取水工作閘門設(shè)置于攔污柵槽后，采用分層取水方式，共分二層。工作閘門動(dòng)水啟閉，不調(diào)節(jié)流量，閘門關(guān)閉時(shí)利用水柱閉門。進(jìn)口攔污柵和分層取水工作閘門共用一臺(tái)2×1 250 kN臺(tái)車式啟閉機(jī)分別配合鉤環(huán)式、液壓穿銷式自動(dòng)抓梁?jiǎn)㈤]。臺(tái)車軌道中心距10.5 m。臺(tái)車上游側(cè)下部懸掛1套抓斗式自動(dòng)清污設(shè)備，用以清除攔污柵上的污物。

分層取水閘門后為進(jìn)口消能電站引水管道，分別布置了1孔電站進(jìn)水管事故閘門門槽和1孔電站旁通管事故檢修閘門門槽。每扇事故閘門利用1臺(tái)2×630 kN固定卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉，操作條件為動(dòng)閉靜啟，利用閘門上的充水閥充水平壓。閘門操作條件為靜水啟閉。

取水口豎井混凝土澆筑已于2014年10月澆筑完畢，至事故閘門落閘時(shí)豎井混凝土強(qiáng)度已達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

2 事件由來(lái)

按照節(jié)點(diǎn)工期要求，工程應(yīng)在2015年10月1日前具備通水條件，進(jìn)口圍堰拆除工作須在2014年11月前進(jìn)行。當(dāng)時(shí)庫(kù)區(qū)水位為▽289 m，圍堰頂高程為▽307.6 m?？紤]幾方面原因：一是為減少圍堰水下拆除工程量、及早完成圍堰瘦身及水面以上堰體拆除工作；二是此時(shí)取水口部分建筑物、地下電站及下游隧洞等主體工程也正在同時(shí)施工；三是圍堰拆除施工過(guò)程中采用液壓破碎錘、爆破等方式，對(duì)圍堰原有防滲體系可能造成破壞，進(jìn)而發(fā)生滲漏水甚至涌水，威脅下游主體工程施工安全。故為了防止可能造成的工程損失，確保工程安全，經(jīng)參建各方研究決定，在取水口工作閘門未進(jìn)場(chǎng)的前提下，進(jìn)水口事故閘門進(jìn)行應(yīng)急性臨時(shí)落閘工作。

3 綜合評(píng)價(jià)

3.1 事故閘門門體計(jì)算

依據(jù)規(guī)范SL74-2013《水工鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》，閘門設(shè)計(jì)水位309.1 m，閘門底坎高程258.2 m，孔口尺寸4.5 m×6.75 m（寬×高）；事故檢修閘門操作條件為動(dòng)水關(guān)閉，靜水啟升，平壓方式采用充水閥。

閘門水封4.72 m×6.9 m（寬×高），動(dòng)水系數(shù)采用1.1，經(jīng)計(jì)算總水壓力為1 739.3 t。

考慮面板的局部彎應(yīng)力與面板兼作主（次）梁翼緣的整體彎應(yīng)力相疊加后的折算應(yīng)力，經(jīng)計(jì)算得知 σzh=2 504＜1.1α[σ]=3 542 kg/cm2；啟閉機(jī)為113.82 t，小于設(shè)計(jì)采用的固定卷?yè)P(yáng)啟閉力160 t。

故在取水口校核洪水位309.1 m時(shí)，閘門自身結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

3.2 事故閘門閘墩結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)工程實(shí)際，采用龍門吊對(duì)事故閘門進(jìn)行臨時(shí)落閘，在整個(gè)圍堰水下拆除的過(guò)程中均采用事故閘門進(jìn)行擋水，且取水首部后面的壓力引水洞襯砌大部分還未施做，不能對(duì)事故閘門閘墩提供足夠的支撐；故需對(duì)事故閘門的閘墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析其在擋水過(guò)程中的穩(wěn)定問(wèn)題。由于兩側(cè)邊墩均有圍巖支撐，故只對(duì)中墩進(jìn)行穩(wěn)定分析。

該次計(jì)算分別采用結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)、有限元方法對(duì)東湖電站取水頭部閘門中墩進(jìn)行分析計(jì)算，采用設(shè)計(jì)水位時(shí)最不利檢修工況下的荷載組合對(duì)中墩閘門槽進(jìn)行受力分析，以期驗(yàn)算閘門槽在既定設(shè)計(jì)條件下的力學(xué)性能以及穩(wěn)定性。

首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，力學(xué)模型選取范圍為底板高程258.2 m以上6.75 m范圍。根據(jù)實(shí)際情況，模型底部為底板固端約束，上部結(jié)構(gòu)固端約束，簡(jiǎn)化模型見圖1。

3.2.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)方法

按取水頭部最高水位309.1 m考慮，中墩主要承受由閘門滾輪傳遞的水壓力。閘門中心高程261.6 m，閘門面積32.57 m2，每扇閘門共有10個(gè)滾輪承擔(dān)傳遞荷載的任務(wù)，則傳遞到每個(gè)滾輪荷載約為1 527.1 kN，據(jù)受力示意圖可知，中墩兩側(cè)共受10個(gè)滾輪傳遞的荷載。

根據(jù)材料力學(xué)方法，可知Iz=50.7 m4,根據(jù)附圖所示梁的彎矩圖可利用公式：

式中：跨端彎矩 M=9 627 kN·m，應(yīng)力 σ=188 kN/m2；跨中最大彎矩 M=5 147.6 kN·m，應(yīng)力σ=100.5 kN/m2。兩者均小于C35混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 ft=1.57 N/mm2=1 570 kN/m2。按最小配筋率0.2%需配置受力鋼筋。

3.2.2 有限元方法

根據(jù)閘墩結(jié)構(gòu)建立有限元模型，X向?yàn)槟嫠飨?，Z向?yàn)樨Q直向上，Y向?yàn)轫標(biāo)飨蛴覀?cè)。

圖1 取水頭部閘門中墩簡(jiǎn)化模型（單位：mm）

對(duì)有限元模型進(jìn)行受力分析，分別形成X向應(yīng)力云圖、Y向應(yīng)力云圖和Z向應(yīng)力云圖，圖中“負(fù)”值為壓應(yīng)力區(qū)域，“正”值為拉應(yīng)力區(qū)，數(shù)值單位為Pa。從應(yīng)力結(jié)果中可以看出，中墩以壓應(yīng)力為主，拉應(yīng)力區(qū)很小，拉應(yīng)力區(qū)主要集中在中墩門槽下游側(cè)角部范圍，且收斂很快。拉應(yīng)力最大值為0.199 MPa，壓應(yīng)力最大值為1.35 MPa，均小于設(shè)計(jì)混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度，說(shuō)明中墩在最不利工況荷載組合下處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

配筋設(shè)置考慮到工程為Ⅰ等規(guī)模的Ⅰ級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)使用期限為100年，該次計(jì)算采用極限應(yīng)力計(jì)算鋼筋面積法，即假如最大受拉應(yīng)力全部由鋼筋承擔(dān)而混凝土不承擔(dān)受拉作用，σ≤Kfy·As，其中，

fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值300 MPa，σ=0.199 MPa，K=1.35，則：As≥Kσ/fy=895 mm2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果需要按最小配筋率進(jìn)行構(gòu)造配筋。

建議實(shí)際配筋量應(yīng)比按有限元計(jì)算結(jié)果及構(gòu)造配筋量要大，原因在于門槽處受力復(fù)雜，計(jì)算時(shí)假定的荷載通過(guò)二期混凝土均勻傳遞到一期混凝土上不一定是實(shí)際受力情形；另外從門槽受力安全角度出發(fā)，在門槽范圍內(nèi)適當(dāng)增大鋼筋用量是很有限的，但對(duì)于保證工程的安全穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。

4 評(píng)價(jià)結(jié)論

1）工程取水口事故閘門的總體布置、設(shè)備選型及有關(guān)技術(shù)參數(shù)的選擇基本合理，閘門門體及啟閉能力符合現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程和規(guī)范的要求，閘門可以在取水口校核洪水位309.09 m工作。

2）工程取水口閘墩混凝土在水庫(kù)水位為309.09 m時(shí)均能滿足結(jié)構(gòu)安全的需要。