某水电站泄水闸闸室及上部梁系结构设计

唐振华，张冬冬，黄荣亮，张宝源

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021；2.云峰发电厂，吉林通化134000）

1 工程概况

某水电站位于吉林省集安市境内某河流中游河段上。该水电站是一座以发电为主的水利枢纽工程，水库正常蓄水位208.00m，总库容0.3302×108m3，电站装机4台，总容量40MW，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物的级别为3级。工程区主要出露侏罗系、第四系地层和燕山期侵入岩，主要发育鸭绿江断裂为区域性北东向断裂，没有其它大型地质构造发育，地震基本烈度为Ⅵ度。

枢纽主要建筑物由两岸混凝土重力坝段、泄水闸坝段、门库坝段和河床式发电厂房坝段组成。泄水闸布置在河床和左岸漫滩，发电厂房布置于右岸中方侧。坝顶高程为214.75m，坝顶总长380.98m。挡水建筑物从右至左依次布置为右岸挡水坝段、厂房坝段、泄水闸坝段、门库坝段、左岸挡水坝段。泄水前缘总宽度为229.40m，分14个坝段（4～17号），坝段基本长度为17.00m，中导墙坝段（10号）长22.00m，右边墩坝段（17号）长11.90m，泄水闸单孔净宽14.20m。闸孔堰面采用宽顶堰型式，堰顶高程为195.00m。建基高程193.00m，底板厚2.00m，上下游均有2.00m深的齿槽，齿槽底宽为2.00m。

泄水闸坝段采用堰中分缝的结构型式，每个坝段设置1个中墩。中导墙坝段中墩厚7.80m，其余中墩厚度均为2.80m。闸墩前缘为过流能力较大的半圆形，悬出上游坝面2.30m，闸室结构总长为20.00m。坝顶结构采用简支预制混凝土梁系，梁长15.56m，净跨度为孔口宽14.20m。泄水闸工作门采用平板闸门，由固定式卷扬机启闭。启闭机房采用混凝土排架支承，支承排架高度为15.90m，其上采用预制混凝土梁系结构，吊装后用钢板连接拼装，预制梁长16.98m，净跨度为15.90m。预制梁顶部的启闭机室高度为4.00m，整个结构总高度为21.15m。

2 闸室结构设计

闸室结构按照溢流堰、闸墩分别进行结构分析计算。泄水闸坝段共设11个中墩及左、右侧边墩，选取中墩采用三维有限元法、材料力学方法进行结构内力计算和分析。

2.1 计算坐标系约定

整体直角坐标系（OXYZ）约定：水平从上游到下游为坐标轴X正向，X坐标值与结构布置桩号一致。垂直向上为坐标轴Y正向，Y坐标值与结构布置高程一致。利用右手坐标系的规定，坐标轴Z的正向为水平从枢纽右岸向左岸为正，Z=0位于中墩对称面。

2.2 有限元网格划分

闸墩混凝土与基岩采用三维8节点离散。有限元网格剖分中，门槽部位的网格剖分加密，以适应应力梯度变化较大的要求。实际计算中，结构总计算单元数为70662，计算节点为78880。

2.3 计算工况

为掌握闸室结构的应力水平，主要对水闸运行期各控制工况进行了分析研究，主要考虑两种工况：正常挡水工况，结构自重+闸门水推力+浪压力+基底扬压力；闸门一侧挡水一侧检修工况（控制工况），结构自重+闸门水推力+闸墩侧向静水压力+浪压力+基底扬压力。

2.4 三维有限元法分析计算成果

经计算，控制工况下，闸室整体结构水平顺坝轴线向位移很小，最大位移仅为4.54mm，位于闸墩墩顶下游侧；闸室整体结构竖直向位移也很小，最大位移仅为1.357mm，位于闸墩墩顶上游侧。

控制工况下，闸墩结构竖直向最大拉应力发生在工作门槽上游侧，剔除局部尖角应力集中区域（约0.50m），其竖向最大拉应力为1.65MPa；顺坝轴线方向最大应力发生在工作门槽上游侧，剔除局部尖角应力集中区域（约0.50m），其水平顺坝轴线方向最大拉应力为1.06MPa。

控制工况下，闸底板结构顺水流向最大拉应力发生在工作门和检修门门槽之间，其最大拉应力为0.33MPa；顺坝轴线方向最大拉应力发生在工作门和检修门门槽之间，其水平顺坝轴线方向最大拉应力为0.76MPa。

2.5 材料力学法分析计算成果

按照《水工混凝土结构设计规范》中非杆件体系钢筋混凝土结构的配筋计算原则，选取控制工况对泄水闸底板及闸墩进行结构配筋计算。经分析计算，泄水闸底板设计配筋采用HRB400级φ20@200mm钢筋，泄水闸闸墩采用HRB400级φ25@200mm的钢筋。计算得出受弯构件荷载标准值下纵向受拉钢筋的应力为1.63MPa，其荷载效应组合下最大裂缝宽度为0.0024mm，远小于三类环境下钢筋混凝土结构的裂缝限值0.25mm。根据应力计算结果，闸底板基本处于受压状态，在上下游齿槽处坝轴线方向及上下游方向均配置HRB400级φ20@200mm钢筋，闸室底板面层钢筋纵横向也均配置HRB400级φ20@200mm钢筋；由于工程泄水闸闸墩高度较小，为方便施工，在高程方向不调整闸墩主受力钢筋的设置。

3 坝顶梁系结构设计

泄水闸闸孔净宽14.20m，左边墩厚9.90m（与门库坝段相接），右边墩厚4.80m，中墩厚2.80m，中导墙厚7.80m。为满足溢流坝段检修闸门、工作门、门机运行操作，以及人员和设备通行的要求，设置跨越泄水闸闸孔的交通桥、工作桥门机大梁等“T”型梁系结构，其中交通桥截面高度为1.10m，工作桥门机大梁的截面高度为1.95m，支座间跨度为14.90m。

选取坝顶闸孔梁系结构中的工作桥门机大梁及交通桥梁分别进行结构分析计算，其中门机工作桥大梁配置HRB400级14φ36钢筋，2φ12@150mm箍筋；交通桥梁配置HRB400级8φ32钢筋，2φ12@200mm箍筋。正常运用工况标准荷载作用下最大扰度为36.00mm，小于允许扰度，最大裂缝宽度为0.17mm，小于允许裂缝宽度。

4 启闭机排架及平台梁系结构设计

泄水闸顶部启闭机工作桥排架（“井”字型）共15榀，高15.90m。坝顶排架间净距15.90m，排架底高程为214.75m，排架顶高程为230.65m。跨越排架的启闭机工作平台采用预制混凝土梁，并用钢板拼装形成启闭机工作平台，梁顶高程为213.85m，平台高程为231.90m。预制混凝土梁采用“T”型结构，梁高分别为2.10，1.80，1.40m，支座间跨度16.49m。梁系结构布置见图1。

通过对启闭机排架结构梁、柱进行正截面、斜截面、抗裂、变形及局部承压计算，排架顶部梁配置HRB400级6φ32受力钢筋，2φ16@150mm箍筋；联系梁配置HRB400级4 32受力钢筋，2φ 14@250mm箍筋，梁系结构最大扰度为3.38mm，最大裂缝宽度为0.29mm，均小于允许扰度及裂缝宽度值。排架柱主要受弯矩和压力作用，按照偏心受压构件计算及最小配筋率要求，配置HRB400级16φ36受力钢筋，标准组合下最大扰度为24.40mm，最大裂缝宽度为0.24mm，均小于允许扰度及裂缝宽度值。

通过对启闭机平台梁系结构受力分析计算，G1梁配置HRB400级16φ36+4φ22受力钢筋，G2和G4梁分别配置HRB400级6φ36+2φ22受力钢筋，G3梁配置HRB400级12φ36+4φ22受力钢筋，均配置2φ12@150mm箍筋。梁系结构最大扰度分别为49.40，30.20，40.74，30.95mm，制作时分别起拱25.00mm，最大裂缝宽度分别为0.22，0.24，0.17，0.10mm，均小于允许扰度及裂缝宽度值。

图1 启闭机排架上部预制工作桥结构图（单位：cm）

5 结语

通过对工程泄水闸结构的三维有限元分析计算，闸室顶部启闭机排架和梁系结构配筋计算，以及扰度、裂缝分析，基本掌握了控制工况下闸室结构的应力状态，并根据应力图形对闸室结构配筋进行复核，全面了解了闸室整体结构控制工况的运行状态，分析计算成果为闸室结构的施工过程控制及后期运行提供有力的理论支撑。