從帶胸墻式水閘的結構設計談水閘設計規范 (SL265-2001)的修編

劉世煌

(水利部水利水電規劃設計總院,北京 100120)

隨著水利水電事業的發展,我國在丘陵、山區修建了一大批水利水電樞紐,其中有相當部分擋水泄水建筑物為中低水頭的閘壩。

這些閘壩大多建設在巖石或砂礫地基上,由于庫容及裝機較小,大部分建筑物級別不高,但上下游水頭差卻較大,相應閘室結構尺寸也較大,結構形式也較為復雜,部分閘壩高度已從10～20m,提高到30～50m,閘室上下游水頭差已超過40m,許多閘壩還帶有較大的胸墻,胸墻的高度已達30m,厚度達4m。雖然這些閘壩尺寸較大,但仍屬于中低水頭擋水泄水建筑物,仍按水閘設計規范進行設計。

表1 近期我國水利及水電工程中帶胸墻水閘結構尺寸

我國頒布的第一部水閘設計規范為《水閘設計規范(試行)》(SD133-84),是在總結我國20世紀50～70年代在江蘇、安徽等平原地區建設大批水閘經驗基礎上編制而成,當時閘室高度大多5～10m,閘室長8～20m,上下游水頭差4～8m,且大多為開敞式水閘。正由于上述原因,該規范明確申明:本規范適用范圍為平原地區的大中型工程中1、2、3級水閘設計,山區和丘陵地區及平原地區4、5級水閘設計,參照執行。該規范還講明,該規范重點適用于土基上的水閘設計。相應該規范規定的閘室結構計算方法,主要沿襲前蘇聯(CHNПН-16-76)水工建筑物地基設計規范,采用彈性地基梁法,計算閘室底板應力,采用傅作新彈性力學法,計祘閘墩應力。

1997年,經三年修編,頒布了《水閘設計規范》(SL265-2001),由于種種原因,該次規范修編工作對結構設計的有關計算方法,并未進行深入的研究、也未反映當時有限元逐步推廣所帶來的變化,原結構計算方法和規定未做較大的變動,但該規范卻明確擴大了適用范圍,在各章節中增加了山區、丘陵及巖石地基上水閘設計的規定,增加了閘室胸墻結構計算內容,這樣在非土地基上的中低水頭水閘設計中,難免出現一些問題(如下)。

1 基巖上水閘底板應力分析

《水閘設計規范》(SL265-2001)7.5.2條規定,對于開敞式巖基上的閘室底板應力分析可按基床系數法計算。湖北恩施金龍灘水電站5孔開敞式泄洪閘,寬72m,高 26m,長23m,上下游水頭差 12m,5級建筑物,灰巖基礎。接基床系數法計算需2m厚鋼筋混凝土底板,三維有限元計算復核,表明原設計安全度較大,只需按構造配筋。施工中由于地方群眾阻撓,基坑無法正常施工,為了安全渡汛,汛期前,掄澆0.8～1.4m厚鋼筋混凝土底板,有人擔心結構安全,結果在惡劣工況下運行一年多,結構安然,且未發現明顯結構裂縫,這似乎說明水閘設計規范適用范圍擴大到基巖后,相應的計算方法和計算參數可能存在不匹配之處。

2 開敞式弧形閘門閘墩應力分析

《水閘設計規范》(SL265-2001)7.5.6條規定,開敞式和胸墻與閘墩簡支式弧形閘門閘墩應力分析,宜采用彈性力學方法。本條文說明稱:弧形閘門閘墩受力條件比較復雜,不只是偏心受拉,而且還受扭,是一塊一邊固定三邊自由的彈性矩形板,其應力狀況宜采用彈性力學方法進行分析。

當前一些工程弧形閘門的閘墩應力,仍采用了傅作新-沈潛民的彈性力學應力計算法。該方法是1959年結合江蘇二河閘設計,把中墩簡化為中心受拉平板,把邊墩簡化為平面彎曲板,利用彈性力學原理推導的一種計算方法。該方法把推力除以中墩和邊墩厚度,得出單位寬度閘墩推力,再把該推力分解為P、Q、力矩M三個應力分量,將閘墩分成若干個矩形格子,然后建立物理方程,以變位連續性求解各格子平均應力和方向。該方法只能計算高寬比為5︰8和 5︰10兩種尺寸比例的中墩及邊墩,P=100t,Q=100t,M=100t?m 時的應力,其他比尺時按比例內插,其他荷載按比例放大。由于該方法只能考慮弧門推力作用,不能考慮中墩一側關門一側過水的工況,也不能考慮迎水面水壓、墩側面水壓作用,更不能考慮承受水壓力的胸墻作用,是一個受單純弧門推力作用下的平面應力問題的彈性力學解,峽城閘墩計算結果:證明采用上述計算方法,配筋較大。

3 帶胸墻閘室結構設計

《水閘設計規范》(SL265-2001)7.5.7條規定:對于與閘墩固支連接的胸墻式水閘,閘室結構應力可按彈性地基上的整體框架結構進行計算,同時還要求考慮溫度應力的作用,條文說明中還要求:在施工期框架尚未形成前,此時可按彈性地基梁進行閘室底板應力分析,框架形成后,應按彈性地基上整體框架進行應力分析,底板最終應力為兩階段應力總和。

帶胸墻式水閘是一個復雜的空間結構,(SL265-2001)規范把它簡化為一些各自獨立的幾個平面框架,采用結構力學方法或彈性力學方法計算,本身就帶來較大的誤差,由于規范缺少相應計算公式和附表,較難執行,特別當巖基上的水閘高度、胸墻高度及上下水頭差加大后,20～30m高的胸墻,實際成了嵌固在順水流方向剛度很大閘墩上的一個承受巨大水荷載的深梁,整個閘室實際成為一個建于基巖上的頗為復雜的超靜定的空間結構,再把它簡化為一個單寬的彈性地基上的框架,其誤差可能更大。

基于上述原因,考慮到現有彈性地基梁上部結構計算中許多不完善的因素,再加上溫度影響較難考慮,在胸墻式水閘結構設計中,出現五花八門的計算方法,一些工程把胸墻視為兩端固支的單寬梁,不計溫度應力,與閘底板、閘墩分開計算;有的把底板簡化為簡支基礎板,把閘墩簡化為懸臂梁;有的考慮基巖并非土體,特別是因預應力閘墩計算的需要,已自發的用有限元法進行閘室結構設計。

表2 近期幾個帶胸墻水閘結構計算方法、成果及配筋

從表2可知:近期興建的帶胸墻水閘結構設計中,計算方法明顯不同,計算結果和配筋有較大差異,有的工程超量配筋,拉錨系數高達3.68～4.91,有的水閘已出現一些結構性裂縫。

總之非土地基上的帶胸墻的水閘、弧形閘門預應力閘墩、本身就是一個復雜的整體空間結構。隨著水閘設計規范適用范圍的擴大,隨著閘室水頭的加大,再采用結構力學和彈性力學方法計祘,可能會產生較大誤差。

考慮到目前水閘有限元計祘中計祘參數選取及一些具體條件,建議在下階段規范修編中,對現有各種計算方法進行對比分析,推薦經得起實踐考驗,技術合理,易于實施的計祘方法,并講明適用條件,補充相應的附件,修編水閘設計規范。