某水電站泄水閘閘室及上部梁系結(jié)構(gòu)設(shè)計

唐振華，張冬冬，黃榮亮，張寶源

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021；2.云峰發(fā)電廠，吉林通化134000）

1 工程概況

某水電站位于吉林省集安市境內(nèi)某河流中游河段上。該水電站是一座以發(fā)電為主的水利樞紐工程，水庫正常蓄水位208.00m，總庫容0.3302×108m3，電站裝機4臺，總?cè)萘?0MW，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物的級別為3級。工程區(qū)主要出露侏羅系、第四系地層和燕山期侵入巖，主要發(fā)育鴨綠江斷裂為區(qū)域性北東向斷裂，沒有其它大型地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，地震基本烈度為Ⅵ度。

樞紐主要建筑物由兩岸混凝土重力壩段、泄水閘壩段、門庫壩段和河床式發(fā)電廠房壩段組成。泄水閘布置在河床和左岸漫灘，發(fā)電廠房布置于右岸中方側(cè)。壩頂高程為214.75m，壩頂總長380.98m。擋水建筑物從右至左依次布置為右岸擋水壩段、廠房壩段、泄水閘壩段、門庫壩段、左岸擋水壩段。泄水前緣總寬度為229.40m，分14個壩段（4～17號），壩段基本長度為17.00m，中導(dǎo)墻壩段（10號）長22.00m，右邊墩壩段（17號）長11.90m，泄水閘單孔凈寬14.20m。閘孔堰面采用寬頂堰型式，堰頂高程為195.00m。建基高程193.00m，底板厚2.00m，上下游均有2.00m深的齒槽，齒槽底寬為2.00m。

泄水閘壩段采用堰中分縫的結(jié)構(gòu)型式，每個壩段設(shè)置1個中墩。中導(dǎo)墻壩段中墩厚7.80m，其余中墩厚度均為2.80m。閘墩前緣為過流能力較大的半圓形，懸出上游壩面2.30m，閘室結(jié)構(gòu)總長為20.00m。壩頂結(jié)構(gòu)采用簡支預(yù)制混凝土梁系，梁長15.56m，凈跨度為孔口寬14.20m。泄水閘工作門采用平板閘門，由固定式卷揚機啟閉。啟閉機房采用混凝土排架支承，支承排架高度為15.90m，其上采用預(yù)制混凝土梁系結(jié)構(gòu)，吊裝后用鋼板連接拼裝，預(yù)制梁長16.98m，凈跨度為15.90m。預(yù)制梁頂部的啟閉機室高度為4.00m，整個結(jié)構(gòu)總高度為21.15m。

2 閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計

閘室結(jié)構(gòu)按照溢流堰、閘墩分別進行結(jié)構(gòu)分析計算。泄水閘壩段共設(shè)11個中墩及左、右側(cè)邊墩，選取中墩采用三維有限元法、材料力學(xué)方法進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算和分析。

2.1 計算坐標系約定

整體直角坐標系（OXYZ）約定：水平從上游到下游為坐標軸X正向，X坐標值與結(jié)構(gòu)布置樁號一致。垂直向上為坐標軸Y正向，Y坐標值與結(jié)構(gòu)布置高程一致。利用右手坐標系的規(guī)定，坐標軸Z的正向為水平從樞紐右岸向左岸為正，Z=0位于中墩對稱面。

2.2 有限元網(wǎng)格劃分

閘墩混凝土與基巖采用三維8節(jié)點離散。有限元網(wǎng)格剖分中，門槽部位的網(wǎng)格剖分加密，以適應(yīng)應(yīng)力梯度變化較大的要求。實際計算中，結(jié)構(gòu)總計算單元數(shù)為70662，計算節(jié)點為78880。

2.3 計算工況

為掌握閘室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，主要對水閘運行期各控制工況進行了分析研究，主要考慮兩種工況：正常擋水工況，結(jié)構(gòu)自重+閘門水推力+浪壓力+基底揚壓力；閘門一側(cè)擋水一側(cè)檢修工況（控制工況），結(jié)構(gòu)自重+閘門水推力+閘墩側(cè)向靜水壓力+浪壓力+基底揚壓力。

2.4 三維有限元法分析計算成果

經(jīng)計算，控制工況下，閘室整體結(jié)構(gòu)水平順壩軸線向位移很小，最大位移僅為4.54mm，位于閘墩墩頂下游側(cè)；閘室整體結(jié)構(gòu)豎直向位移也很小，最大位移僅為1.357mm，位于閘墩墩頂上游側(cè)。

控制工況下，閘墩結(jié)構(gòu)豎直向最大拉應(yīng)力發(fā)生在工作門槽上游側(cè)，剔除局部尖角應(yīng)力集中區(qū)域（約0.50m），其豎向最大拉應(yīng)力為1.65MPa；順壩軸線方向最大應(yīng)力發(fā)生在工作門槽上游側(cè)，剔除局部尖角應(yīng)力集中區(qū)域（約0.50m），其水平順壩軸線方向最大拉應(yīng)力為1.06MPa。

控制工況下，閘底板結(jié)構(gòu)順水流向最大拉應(yīng)力發(fā)生在工作門和檢修門門槽之間，其最大拉應(yīng)力為0.33MPa；順壩軸線方向最大拉應(yīng)力發(fā)生在工作門和檢修門門槽之間，其水平順壩軸線方向最大拉應(yīng)力為0.76MPa。

2.5 材料力學(xué)法分析計算成果

按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中非桿件體系鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋計算原則，選取控制工況對泄水閘底板及閘墩進行結(jié)構(gòu)配筋計算。經(jīng)分析計算，泄水閘底板設(shè)計配筋采用HRB400級φ20@200mm鋼筋，泄水閘閘墩采用HRB400級φ25@200mm的鋼筋。計算得出受彎構(gòu)件荷載標準值下縱向受拉鋼筋的應(yīng)力為1.63MPa，其荷載效應(yīng)組合下最大裂縫寬度為0.0024mm，遠小于三類環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫限值0.25mm。根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，閘底板基本處于受壓狀態(tài)，在上下游齒槽處壩軸線方向及上下游方向均配置HRB400級φ20@200mm鋼筋，閘室底板面層鋼筋縱橫向也均配置HRB400級φ20@200mm鋼筋；由于工程泄水閘閘墩高度較小，為方便施工，在高程方向不調(diào)整閘墩主受力鋼筋的設(shè)置。

3 壩頂梁系結(jié)構(gòu)設(shè)計

泄水閘閘孔凈寬14.20m，左邊墩厚9.90m（與門庫壩段相接），右邊墩厚4.80m，中墩厚2.80m，中導(dǎo)墻厚7.80m。為滿足溢流壩段檢修閘門、工作門、門機運行操作，以及人員和設(shè)備通行的要求，設(shè)置跨越泄水閘閘孔的交通橋、工作橋門機大梁等“T”型梁系結(jié)構(gòu)，其中交通橋截面高度為1.10m，工作橋門機大梁的截面高度為1.95m，支座間跨度為14.90m。

選取壩頂閘孔梁系結(jié)構(gòu)中的工作橋門機大梁及交通橋梁分別進行結(jié)構(gòu)分析計算，其中門機工作橋大梁配置HRB400級14φ36鋼筋，2φ12@150mm箍筋；交通橋梁配置HRB400級8φ32鋼筋，2φ12@200mm箍筋。正常運用工況標準荷載作用下最大擾度為36.00mm，小于允許擾度，最大裂縫寬度為0.17mm，小于允許裂縫寬度。

4 啟閉機排架及平臺梁系結(jié)構(gòu)設(shè)計

泄水閘頂部啟閉機工作橋排架（“井”字型）共15榀，高15.90m。壩頂排架間凈距15.90m，排架底高程為214.75m，排架頂高程為230.65m?？缭脚偶艿膯㈤]機工作平臺采用預(yù)制混凝土梁，并用鋼板拼裝形成啟閉機工作平臺，梁頂高程為213.85m，平臺高程為231.90m。預(yù)制混凝土梁采用“T”型結(jié)構(gòu)，梁高分別為2.10，1.80，1.40m，支座間跨度16.49m。梁系結(jié)構(gòu)布置見圖1。

通過對啟閉機排架結(jié)構(gòu)梁、柱進行正截面、斜截面、抗裂、變形及局部承壓計算，排架頂部梁配置HRB400級6φ32受力鋼筋，2φ16@150mm箍筋；聯(lián)系梁配置HRB400級4 32受力鋼筋，2φ 14@250mm箍筋，梁系結(jié)構(gòu)最大擾度為3.38mm，最大裂縫寬度為0.29mm，均小于允許擾度及裂縫寬度值。排架柱主要受彎矩和壓力作用，按照偏心受壓構(gòu)件計算及最小配筋率要求，配置HRB400級16φ36受力鋼筋，標準組合下最大擾度為24.40mm，最大裂縫寬度為0.24mm，均小于允許擾度及裂縫寬度值。

通過對啟閉機平臺梁系結(jié)構(gòu)受力分析計算，G1梁配置HRB400級16φ36+4φ22受力鋼筋，G2和G4梁分別配置HRB400級6φ36+2φ22受力鋼筋，G3梁配置HRB400級12φ36+4φ22受力鋼筋，均配置2φ12@150mm箍筋。梁系結(jié)構(gòu)最大擾度分別為49.40，30.20，40.74，30.95mm，制作時分別起拱25.00mm，最大裂縫寬度分別為0.22，0.24，0.17，0.10mm，均小于允許擾度及裂縫寬度值。

圖1 啟閉機排架上部預(yù)制工作橋結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

5 結(jié)語

通過對工程泄水閘結(jié)構(gòu)的三維有限元分析計算，閘室頂部啟閉機排架和梁系結(jié)構(gòu)配筋計算，以及擾度、裂縫分析，基本掌握了控制工況下閘室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，并根據(jù)應(yīng)力圖形對閘室結(jié)構(gòu)配筋進行復(fù)核，全面了解了閘室整體結(jié)構(gòu)控制工況的運行狀態(tài)，分析計算成果為閘室結(jié)構(gòu)的施工過程控制及后期運行提供有力的理論支撐。