孤山航電樞紐工程泄水閘孔與廠房共用邊墻結(jié)構(gòu)型式研究

肖浩波 熊順鋒 李國勇

摘要：為縮短孤山航電樞紐工程的壩軸線長度，減少壩肩邊坡開挖高度，節(jié)省工程投資，提出了水電站廠房邊墻與泄水閘弧形閘門邊墩相結(jié)合的共用邊墻結(jié)構(gòu)型式，并對(duì)共用邊墻結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行了三維有限元數(shù)值分析。結(jié)果表明：共用邊墻新型結(jié)構(gòu)優(yōu)化了弧門支撐處的應(yīng)力與變形狀態(tài)，弧門推力和水壓力對(duì)廠房邊墻整體的應(yīng)力、變形影響較小。經(jīng)過水庫正常蓄水和3個(gè)汛期泄洪的檢驗(yàn)，電站廠房和泄水閘運(yùn)行情況良好，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的安全可靠性。研究成果可為同類工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：共用邊墻； 結(jié)構(gòu)型式； 泄水閘邊墩； 弧門牛腿； 孤山航電樞紐工程

中圖法分類號(hào)：TV61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.006

文章編號(hào)：1006-0081（2023）06-0032-04

0 引 言

平原丘陵地區(qū)河流洪峰流量大，水頭落差小，在此類河流上修建的水利水電工程泄洪建筑物規(guī)模較大，通常需布置多孔泄水閘，如烏江銀盤水電站［1］。在滿足泄洪要求的前提下，一般采用河床式電站，同時(shí)布置船閘、魚道等，建筑物種類多，布置較為緊湊，泄水閘與電站廠房相鄰布置，以便電站進(jìn)水口沖沙、排漂，如廣西大藤峽水利樞紐［2-3］。為保證結(jié)構(gòu)受力相對(duì)明確，通常情況下，泄水閘和電站廠房設(shè)計(jì)為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的建筑物，泄水閘邊墩和廠房邊墻之間設(shè)置永久縫，兩者各自承擔(dān)弧門推力、水壓力等荷載。廣西長洲水利樞紐［4］、贛江井岡山航電樞紐［5］均采用此結(jié)構(gòu)型式。紅水河橋鞏水電站［6］針對(duì)河道寬度有限、建筑物布置受限情況，取消泄水閘邊墩和廠房邊墻之間的永久縫，將兩者結(jié)合從而減少閘墩厚度，工程的良好運(yùn)行證明了其可行性。然而，橋鞏水電站泄水閘工作門為平板門，不會(huì)出現(xiàn)弧形工作門的弧門支鉸集中受力情況，對(duì)廠房邊墻的應(yīng)力、變形影響相對(duì)較小。本文以孤山航電樞紐工程為研究對(duì)象，提出右區(qū)泄水閘弧形工作門的邊墩和電站廠房邊墻相結(jié)合的結(jié)構(gòu)型式，取消中間永久縫，減小了墩墻總厚度，從而達(dá)到縮短壩軸線長度的目的，并通過數(shù)值分析和實(shí)際運(yùn)行情況驗(yàn)證了方案的可行性。

1 泄水閘與電站廠房布置

孤山航電樞紐工程泄洪建筑物采用18孔平底泄水閘，縱向圍堰壩段將其分為左右兩區(qū)［7］。左區(qū)7孔泄水閘，孔寬16 m，閘底高程157 m，采用平板工作閘門；右區(qū)11孔泄水閘位于右岸主河槽，孔寬15 m，閘底高程158.1 m，采用弧形工作閘門，右區(qū)泄水閘溢流前沿長度207 m。河床式電站廠房緊鄰右區(qū)泄水閘布置，右側(cè)為右岸非溢流壩段，電站廠房沿壩軸線總長122.3 m，從左至右依次為機(jī)組段（長85.8 m）、安裝場(chǎng)段（長36.5 m），如圖1所示。

2 泄水閘邊墩與電站廠房邊墻結(jié)構(gòu)型式研究

2.1 常規(guī)布置型式

為縮短壩軸線長度，減少右壩肩邊坡開挖高度，節(jié)省工程投資，在滿足工程功能要求和保證建筑物結(jié)構(gòu)安全的前提下，對(duì)右區(qū)泄水閘邊墩和電站廠房邊墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究。在中國已建類似工程實(shí)例中，泄水閘邊孔與電站廠房之間擋水結(jié)構(gòu)通常采用如下幾種布置型式。

（1） 具備布置空間時(shí)，常用泄水閘邊墩與電站廠房邊墻獨(dú)立布置結(jié)構(gòu)型式，邊墩與邊墻之間設(shè)置永久縫，泄水閘邊墩承擔(dān)弧門推力，廠房邊墻承擔(dān)下游側(cè)向水壓力，邊墩和邊墻總厚度較大，如漢江白河水電站［8］、金沙江金沙水電站［9］。

（2） 河道較寬，建筑物布置不受限制時(shí)，在泄水閘邊墩與電站廠房之間布置廠閘導(dǎo)墻壩段，由泄水閘邊墩承擔(dān)弧門推力，廠閘導(dǎo)墻替電站廠房承擔(dān)下游側(cè)向水壓力，3個(gè)建筑物彼此獨(dú)立。采用這種布置型式的廠房邊墻相對(duì)較薄，但為滿足廠閘導(dǎo)墻壩段自身側(cè)向穩(wěn)定的要求，壩段寬度往往較大，如贛江井岡山航電樞紐工程［5］。

（3） 河道相對(duì)較窄，各建筑物布置較緊湊時(shí)，泄水閘設(shè)置相對(duì)較厚的邊墩，通過泄水閘邊墩替電站廠房承擔(dān)下游側(cè)向水壓力。對(duì)于孔口跨中分縫的邊墩，為滿足邊墩自身側(cè)向穩(wěn)定的要求，需增加邊墩厚度，同時(shí)還需考慮聯(lián)合受力措施，如烏江銀盤水電站［1］，邊墩采用寬槽并縫設(shè)計(jì)，與相鄰壩段聯(lián)合受力。

（4） 對(duì)于工作門為平板門的泄水閘，順流向長度短，相對(duì)弧門支鉸局部受力，門槽受力較分散，泄水閘邊墩與廠房邊墻結(jié)合布置，厚度與單獨(dú)布置相比適當(dāng)增加，以承擔(dān)下游側(cè)向水壓力。典型案例為廣西紅水河橋鞏水電站［6］。

部分河床式電站泄水閘邊墩結(jié)構(gòu)型式見表1。

2.2 共用邊墻結(jié)構(gòu)型式

孤山航電樞紐右區(qū)泄水閘邊墩與電站廠房的布置條件與以上工程實(shí)例存在差異，采用井岡山航電樞紐、銀盤水電站［10-11］、白河水電站、金沙水電站等任何一種結(jié)構(gòu)型式均會(huì)增加閘墩總厚度，不能縮短壩軸線，但可以借鑒橋鞏水電站平板門邊墩與廠房邊墻結(jié)合設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，將孤山航電樞紐右區(qū)泄水閘邊墩與電站廠房邊墻合二為一，兩者共用，泄水閘底板沿邊墩進(jìn)行分縫，墩墻作為廠房結(jié)構(gòu)的一部分來承擔(dān)側(cè)向水壓力和弧門推力。結(jié)合后的右區(qū)泄水閘邊墩與電站廠房邊墻平面布置和上游立視分別見圖2和圖3。

3 共用邊墻結(jié)構(gòu)型式及受力分析

3.1 結(jié)構(gòu)型式

右區(qū)泄水閘與電站廠房邊墻相結(jié)合的結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)重難點(diǎn)在于減小弧門支鉸順流向集中推力對(duì)廠房邊墻應(yīng)力、變形及裂縫開度的影響，且該結(jié)構(gòu)型式不利于設(shè)置預(yù)應(yīng)力弧門支撐［12］，只能采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。針對(duì)上述問題，主機(jī)室段廠壩邊墻沿高程采用變厚度設(shè)計(jì)，從高程163.0 m至高程175.0 m，機(jī)室段廠壩邊墻厚度為6 m；高程175.0 m至185.6 m，邊墻厚度為4 m；高程185.6至壩頂，厚度為2.5 m。主機(jī)室段廠壩邊墻上游側(cè)由擋水墻提供側(cè)向支撐，下游側(cè)由下游副廠房邊墻提供側(cè)向支撐。為提高下游副廠房邊墻側(cè)向支撐剛度，將下游副廠房邊墻順?biāo)飨蚣雍裰? m。下游副廠房段廠壩邊墻厚度5 m，泄水閘鋼筋混凝土弧門支撐位于下游副廠房段廠壩邊墻范圍。

由于廠房邊墻順流向長度達(dá)79.2 m，考慮溫度應(yīng)力以及為避開弧門支絞的扇形鋼筋，采用錯(cuò)縫分塊澆筑的方式，兩條錯(cuò)縫分別位于主廠房、副廠房邊墻處，保證弧門支鉸的扇形鋼筋位于兩條錯(cuò)縫中間不斷開，錯(cuò)縫處采用鍵槽+插筋進(jìn)行處理。共用邊墻分縫見圖4。

3.2 受力分析

廠房與閘孔采用共用邊墩的結(jié)構(gòu)型式后，廠房邊墻上弧門牛腿支座的弧門推力為22 000 kN，邊墻同時(shí)承擔(dān)廠房壩段的上、下游水壓力以及下游高水位或泄水閘泄洪時(shí)右區(qū)邊孔的側(cè)向水壓力，且廠壩邊墻左右側(cè)的剛度分布差別較大。由于廠房邊墩結(jié)構(gòu)布置和受力復(fù)雜，因此采用三維有限元分析邊墩及弧門牛腿支座受力情況。

（1） 三維有限元模型。計(jì)算模型方向：X軸為壩軸線向，Y軸為豎向，Z軸為水流向。為重點(diǎn)分析廠房邊墻在弧門支撐處的應(yīng)力狀態(tài)，弧門支撐附近范圍采用規(guī)則的六面體單元，其他結(jié)構(gòu)部位大部分采用四面體單元近似模擬。三維有限元模型見圖5。

（2） 計(jì)算工況。檢修工況時(shí)，平板門擋水，下游水位較低，受力條件較好，不作為控制工況；正常擋水時(shí)，弧門支鉸集中力較大，為弧門支鉸部位的控制工況；校核洪水時(shí)，下游水位較高，廠房邊墻承擔(dān)的側(cè)向水壓力較大，為廠房邊墻的控制工況。

（3） 計(jì)算參數(shù)?；￠T支鉸推力22 000 kN，與水平方向夾角（仰角）34.954 9°，弧門支撐結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)號(hào)C35，廠房邊墻混凝土標(biāo)號(hào)C30，按線彈性材料考慮。

（4） 計(jì)算結(jié)果?；￠T支撐部位的應(yīng)力及變形見圖6～7，廠房邊墻內(nèi)側(cè)的應(yīng)力見圖8。

3.3 分析結(jié)果

（1） 弧門支撐中心處混凝土主拉應(yīng)力合力5 600 kN，與預(yù)應(yīng)力閘墩相比，扇形鋼筋布置面積大幅增加。

（2） 弧門支撐中心處最大應(yīng)力8.12 MPa，在進(jìn)入邊墻1 m左右，拉應(yīng)力快速下降至1.5 MPa；進(jìn)入邊墻大于1 m后，邊墩的主應(yīng)力繼續(xù)降低，拉應(yīng)力值較低，與獨(dú)立邊墩的應(yīng)力狀態(tài)接近。

（3） 由于主廠房下游墻提供了側(cè)向支撐，邊墻順壩軸線向變形僅0.4 mm，與獨(dú)立邊墩產(chǎn)生的5 mm側(cè)向變形相比，順壩軸線向變形極微小，說明主廠房下游墻的支撐改善了弧門支撐處的變形狀態(tài)。

（4） 由于主廠房下游墻的側(cè)向支撐作用，廠房邊墻內(nèi)側(cè)的整體應(yīng)力值小于0.5 MPa，說明增加弧門支撐對(duì)廠房邊墻受力的影響不大。

（5） 與常規(guī)獨(dú)立邊墩和邊墻結(jié)構(gòu)相比，共用邊墻的總厚度減少了4.5～5.0 m。

4 結(jié) 語

與常規(guī)結(jié)構(gòu)型式相比，孤山航電樞紐工程右區(qū)泄水閘邊孔與廠房共用邊墻新型結(jié)構(gòu)充分利用了廠

房側(cè)向支撐結(jié)構(gòu)的作用，優(yōu)化了弧門支撐處的應(yīng)力

與變形狀態(tài)，減少了邊墩與邊墻的總厚度。該布置型式縮短了壩軸線長度，降低了右岸壩肩邊坡開挖高度，節(jié)省了工程投資。目前水庫已蓄至正常蓄水位，經(jīng)過3個(gè)汛期泄洪的檢驗(yàn)，右區(qū)泄水閘邊孔和廠房邊墩運(yùn)行良好，結(jié)構(gòu)安全可靠，驗(yàn)證了方案的可行性。

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（編輯：江 燾，高小雲(yún)）

Study on structure of side wall shared by sluice and powerhouse of

Gushan Navigation and Hydropower Project

XIAO Haobo1，XIONG Shunfeng2，LI Guoyong1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.Hanjiang Gushan Hydropower Development Co.，Ltd.，Shiyan 442600，China）

Abstract：

In order to shorten the length of dam axis，reduce the excavation height of dam slope and save project investment of Gushan Navigation and Hydropower Project，the structure design combining the side wall of powerhouse with the side pier of sluice was put forward.The force of the shared wall structure was analyzed by three-dimensional finite element.The result showed that this new structure optimized the stress and deformation state of the support of radial gate，the thrust force of radial gate and water pressure had little influence on the stress and deformation of the whole side wall of powerhouse.After the inspection of reservoir impoundment and flood discharge in three flood seasons，the powerhouse and sluice operated well，which verified the safety and reliability of the structure.The study results can provide reference for similar engineering design．

Key words：

shared side wall； structure design； side pier of sluice； bracket of radial gate； Gushan Navigation and Hydropower Project