淺談高水頭事故閘門軌道及鋼襯砌設(shè)計

聶青雷

（1.水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣水利局，新疆 阿克陶 845550）

1 考慮滲透水壓力對軌道結(jié)構(gòu)及鋼襯砌作用的場合

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家基礎(chǔ)建設(shè)能力也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，一大批高壩大庫拔地而起。隨著壩高的不斷突破，閘門擋水水頭也不斷提高，對水工金屬結(jié)構(gòu)的要求也越來越高。

高水頭的閘門也比比皆是，按照操作水頭高度及目前我國發(fā)展水平和認(rèn)識水平[1]，大致可認(rèn)為閘門在50 m～80 m的水頭高度下可稱為高水頭閘門。此類閘門水道壓力大、流速快，容易造成門槽氣蝕破壞，尤其是平面閘門門槽破壞了水道原有的平順性，更易造成門槽氣蝕破壞[2]。根據(jù)水流通過門槽時的流場分布情況，確定門槽結(jié)構(gòu)型式。通過門槽下游側(cè)錯距加圓弧過渡的型式使閘門門槽曲線盡可能地符合水流流暢的分布曲線。此法不但可以使水流更加平順的通過門槽，減輕過閘水流對閘門的擾動，減小閘門的震動發(fā)生的概率和程度，而且可以減小門槽磨損和氣蝕發(fā)生的程度。

另一方面在設(shè)計門槽時設(shè)計人員往往通過襯砌門槽及水道提高過流面的表面光潔度使得水道水流更加平順，減小門槽及水道氣蝕破壞的可能，從而達(dá)到延長軌道及水道使用年限的目的。由于上述設(shè)計考慮，設(shè)計人員往往對門槽及水道采取部分?jǐn)嗝婊蛘呷珨嗝娴囊r砌，這樣襯砌的面積就大，這就帶來了另一個問題，鋼襯砌設(shè)計時自身強(qiáng)度和安裝強(qiáng)度的設(shè)計荷載的組成怎么確定？

以往的設(shè)計中往往只考慮了自身安裝運(yùn)輸?shù)男枰?，并未對其承受的荷載組成進(jìn)行深入研究。目前工程中少有針對滲透水壓力對軌道結(jié)構(gòu)及鋼襯砌的影響提出相關(guān)設(shè)計要求的案例，工程實(shí)踐中設(shè)計者往往只考慮門槽主軌、反軌在主受力方向上的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的驗(yàn)算，而忽略了滲透水壓力對預(yù)埋件的影響，這樣一來會造成軌道結(jié)構(gòu)及鋼襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)度不夠；另一方面如果不考慮滲透水壓力的影響，軌道結(jié)構(gòu)及鋼襯砌安裝時錨固強(qiáng)度的設(shè)計依據(jù)就不足，這樣就有可能造成錨固力不足的情況發(fā)生，會給工程安全帶來潛在的安全風(fēng)險。因此筆者認(rèn)為對高水頭閘門應(yīng)該充分考慮滲透水壓力對埋件的影響，分析滲透水壓力的大小和作用特點(diǎn)，為預(yù)埋件的設(shè)計和安裝提供依據(jù)。

2 門槽軌道及鋼襯砌滲透水壓力的產(chǎn)生原因

1）混凝土是一種毛細(xì)結(jié)構(gòu)，是由水、砂、石子，必要時摻入化學(xué)外加劑和礦物摻合料按適當(dāng)比例配合，經(jīng)過均勻攪拌、密實(shí)成型及養(yǎng)護(hù)硬化而成的人工石，混凝土澆筑完之后混凝土養(yǎng)護(hù)過程中會產(chǎn)生毛細(xì)孔，同時在澆筑過程中如振搗不密會形成孔隙。

2）混凝土澆筑的一期、二期結(jié)合面如鑿毛和振搗工藝不達(dá)標(biāo)，也會形成縫隙，形成透水通道。

3）軌道結(jié)構(gòu)及鋼襯砌與混凝土澆筑在一期，材料不同，混凝土在硬化過程中會干縮，在結(jié)合面上形成縫隙，形成透水通道。

以上三種情況均會形成滲水通道，庫水順著這些通道到達(dá)預(yù)埋件于閘井混凝土之間的空隙并充滿后，理論上空隙和水庫就形成連通器，此時空隙內(nèi)的壓力是庫水壓力，鋼板是不透水材料，充滿空隙的水又無法排除就會作用在鋼板上形成滲透壓力。因此設(shè)計人員應(yīng)充分分析埋件承受的滲透水壓力的大小及作用特點(diǎn)，為軌道及鋼襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝錨固提供依據(jù)。

3 不同止水方向的閘門軌道結(jié)構(gòu)及鋼襯砌的滲透水壓力

上游止水的平面事故閘門處于全關(guān)狀態(tài)時，閘門門葉水封沿著底軌、反軌及上游門楣形成一道封水線，將庫水擋在門槽上游面，門后處于干燥的無水狀況。主軌受力分析：因門槽處于無水狀態(tài)，主軌在門槽下游側(cè)也處于無水狀態(tài)，受大氣壓作用，主軌受閘門門葉擋水壓力，通過閘門門葉支承傳遞給主軌，理論上主軌不承受滲透水壓力，設(shè)計時考慮門葉傳遞的荷載。反軌受力分析：因門槽處于無水狀態(tài)，反軌在門槽上游側(cè)也處于無水狀態(tài)，反軌受閘門門葉止水預(yù)壓產(chǎn)生的與壓力作用（量級?。硗夥窜壣嫌蝹?cè)受庫水壓力，下游側(cè)是大氣壓，所以應(yīng)考慮反軌承受相當(dāng)于庫水水頭的滲透水壓力。門楣受力分析：門楣的受力情況與反軌相同。

下游止水的平面事故閘門處于全關(guān)狀態(tài)時，閘門門葉水封沿著底軌、主軌及下游門楣形成一道封水線，將庫水擋在門槽下游面，門槽處于被庫水充滿狀況。主軌受力分析：因門槽充滿庫水狀態(tài)，主軌在門槽下游側(cè)側(cè)水封以外側(cè)護(hù)板處于無水狀態(tài)，主軌受閘門門葉擋水壓力，通過閘門門葉支承傳遞給主軌，同時承受滲透水壓力。反軌受力分析：因門槽充滿庫水狀態(tài)，反軌在門槽上游側(cè)處于充滿庫水狀態(tài)，反軌承受庫水壓力，但是壓向混凝土方向的，不影響結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計滿足構(gòu)造和自身運(yùn)輸安裝要求即可。門楣受力分析：門楣在頂水封以下（一般只有100 mm）處于無水狀態(tài)，承受滲透水壓力。門楣在頂水封以上部分受力情況與反軌受力情況相同。

4 如何減小軌道及鋼襯砌所承受的滲透水壓

1）滲透水壓力產(chǎn)生的三個主要原因均是有滲透通道，解決的辦法是堵住滲透通道。通過提高混凝土的澆筑質(zhì)量，加強(qiáng)振搗，從而減小混凝土的空隙。

2）在一期混凝土和二期混凝土接合面增設(shè)止水，嚴(yán)把一二期接合面鑿毛質(zhì)量關(guān)，提高一二期混凝土的結(jié)合效果。另二期混凝土應(yīng)選擇合理的級配，降低孔隙率，從而達(dá)到堵水目的。

3）軌道及鋼襯砌安裝過程要固定可靠，不能跑模，澆筑完成待混凝土干縮后及時檢查鋼襯砌和混凝土的結(jié)合質(zhì)量，提高檢查比例，對有澆筑不密實(shí)的部位及時灌漿處置。對鋼襯砌在設(shè)計時就預(yù)留適當(dāng)數(shù)目的灌漿孔，便于后期灌漿。

5 軌道及鋼襯砌結(jié)構(gòu)及安裝錨固設(shè)計荷載的選擇

應(yīng)明確門槽軌道及鋼襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮滲透水壓力的作用。根據(jù)閘門止水方向不同分析主軌、反軌、門楣、鋼襯砌所受的滲透水壓力，依次確定閘門主軌、反軌、門楣及鋼襯砌受力工況組合，其中在強(qiáng)度設(shè)計方面，軌道及鋼襯砌承受滲透水頭的選擇應(yīng)遵循偏安全的原則，宜選用庫水水頭。

確定設(shè)計荷載后應(yīng)選合適的錨固方式，目前常用的是采用搭接筋將一期混凝土預(yù)埋插筋或預(yù)埋板和軌道及鋼襯砌焊接在一起，然后通過二期混凝土的澆筑，將軌道及鋼襯砌和一期混凝土連接為整體。搭接鋼筋在焊接時可采用單面焊接，也可采用雙面焊接，但搭接鋼筋在搭接的過程中應(yīng)該遵循等強(qiáng)度搭接的原則，從而充分發(fā)揮搭接鋼筋、預(yù)埋鋼筋或者預(yù)埋板的錨固力，達(dá)到設(shè)計錨固要求。一期插筋或者預(yù)埋板的布置應(yīng)相對均勻，一方面是傳力均勻，設(shè)計時軌道和鋼襯砌能節(jié)省材料，另一方面搭接均勻也能方便二期混凝土的澆筑和振搗，從而提高澆筑效率和澆筑質(zhì)量。在此過程中一期預(yù)埋插筋或者預(yù)埋鋼板材質(zhì)、布置間距、錨固力的選擇都應(yīng)結(jié)合軌道、鋼襯砌、二期混凝土在滲透水壓的作用下的荷載工況組合來確定。

6 結(jié)語

據(jù)以往的工程設(shè)計實(shí)踐中認(rèn)識到高水頭事故閘門門槽軌道及鋼襯砌可能受到滲透水壓力的作用，并分析不同止水方向的閘門軌道及鋼襯砌所承受的滲透水壓力的產(chǎn)生的原因、作用型式和作用特點(diǎn)；根據(jù)滲透水壓力產(chǎn)生的原因提出了減小滲透壓力的方法，并對門槽軌道及鋼襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝錨固設(shè)計荷載為什么要考慮滲透水壓力進(jìn)行了闡述。以上對高水頭事故閘門門槽軌道及鋼襯砌強(qiáng)度設(shè)計和安裝錨固設(shè)計思路的一點(diǎn)思考，希望能給同行設(shè)計閘門埋件時提供一點(diǎn)借鑒，如有不到之處敬請原諒。