某水電站泄水閘閘室及上部梁系結構設計

唐振華，張冬冬，黃榮亮，張寶源

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

1 工程概況

某水電站位于吉林省集安市境內某河流中游河段上。該水電站是一座以發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，總容量40MW，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物的級別為3級。工程區主要出露侏羅系、第四系地層和燕山期侵入巖，主要發育鴨綠江斷裂為區域性北東向斷裂，沒有其它大型地質構造發育，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電廠房壩段組成。泄水閘布置在河床和左岸漫灘，發電廠房布置于右岸中方側。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構型式，每個壩段設置1個中墩。中導墻壩段中墩厚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，閘室結構總長為20.00m。壩頂結構采用簡支預制混凝土梁系，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，其上采用預制混凝土梁系結構，吊裝后用鋼板連接拼裝，預制梁長16.98m，凈跨度為15.90m。預制梁頂部的啟閉機室高度為4.00m，整個結構總高度為21.15m。

2 閘室結構設計

閘室結構按照溢流堰、閘墩分別進行結構分析計算。泄水閘壩段共設11個中墩及左、右側邊墩，選取中墩采用三維有限元法、材料力學方法進行結構內力計算和分析。

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坐標值與結構布置樁號一致。垂直向上為坐標軸Y正向，Y坐標值與結構布置高程一致。利用右手坐標系的規定，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 有限元網格劃分

閘墩混凝土與基巖采用三維8節點離散。有限元網格剖分中，門槽部位的網格剖分加密，以適應應力梯度變化較大的要求。實際計算中，結構總計算單元數為70662，計算節點為78880。

2.3 計算工況

為掌握閘室結構的應力水平，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，結構自重+閘門水推力+浪壓力+基底揚壓力；閘門一側擋水一側檢修工況（控制工況），結構自重+閘門水推力+閘墩側向靜水壓力+浪壓力+基底揚壓力。

2.4 三維有限元法分析計算成果

經計算，控制工況下，閘室整體結構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；閘室整體結構豎直向位移也很小，最大位移僅為1.357mm，位于閘墩墩頂上游側。

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

控制工況下，閘底板結構順水流向最大拉應力發生在工作門和檢修門門槽之間，其最大拉應力為0.33MPa；順壩軸線方向最大拉應力發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力為0.76MPa。

2.5 材料力學法分析計算成果

按照《水工混凝土結構設計規范》中非桿件體系鋼筋混凝土結構的配筋計算原則，選取控制工況對泄水閘底板及閘墩進行結構配筋計算。經分析計算，泄水閘底板設計配筋采用HRB400級φ20@200mm鋼筋，泄水閘閘墩采用HRB400級φ25@200mm的鋼筋。計算得出受彎構件荷載標準值下縱向受拉鋼筋的應力為1.63MPa，其荷載效應組合下最大裂縫寬度為0.0024mm，遠小于三類環境下鋼筋混凝土結構的裂縫限值0.25mm。根據應力計算結果，閘底板基本處于受壓狀態，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，在高程方向不調整閘墩主受力鋼筋的設置。

3 壩頂梁系結構設計

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，以及人員和設備通行的要求，設置跨越泄水閘閘孔的交通橋、工作橋門機大梁等“T”型梁系結構，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構中的工作橋門機大梁及交通橋梁分別進行結構分析計算，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構設計

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。預制混凝土梁采用“T”型結構，梁高分別為2.10，1.80，1.40m，支座間跨度16.49m。梁系結構布置見圖1。

通過對啟閉機排架結構梁、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；聯系梁配置HRB400級4 32受力鋼筋，2φ 14@250mm箍筋，梁系結構最大擾度為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構受力分析計算，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。梁系結構最大擾度分別為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 啟閉機排架上部預制工作橋結構圖（單位：cm）

5 結語

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