北引渠首泄洪閘弧形閘門支座設計

許春波，邵 俊

(1. 黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080;2. 德陽市水務局，四川 德陽618000)

1 工程概況

北引渠首泄洪閘位于嫩江主河床樞紐樁號2 +473.5 ～2+697 處，泄洪閘設計泄流量4 629 m3/s，相應閘上水位179.04 m，閘下游水位178.87 m; 泄洪閘校核泄流量5 156 m3/s，相應閘上水位179.73 m，閘下水位179.54 m。泄洪閘位于主河槽上，最大過閘流量＞5 000 m3/s，對樞紐安全起主要控制作用，按最大過閘流量確定為1 級建筑物，按50 a一遇洪水設計，200 a一遇洪水校核。

渠首泄洪閘為平底板開敞式閘，閘室段采用鋼筋混凝土“U”型槽結構，長22.5 m，共12 孔，每孔凈寬16 m，總凈寬192 m，泄洪閘縱軸線與水流方向一致以保證泄流平順。堰型采用寬頂堰，閘底高程平河底高程為169.0 m，墩頂高程181.80 m，泄洪閘設弧形工作閘門12 孔，用液壓啟閉機啟閉。工作門前設一道檢修門，共設2 扇檢修閘門，用單向門式啟閉機啟閉。

弧形工作閘門基本參數:選用長×寬為16 m×7.7 m，水頭7.2 m 弧形閘門12 孔。閘門底坎高程169.00 m，支鉸高程176.70 m。閘門采雙主橫梁斜支臂球型鉸結構，弧門半徑R為10.5 m，正常擋水高度H 為7.2 m，風浪超高a 為0.5 m。閘門面板厚δ 為10 mm，主梁梁高h0為1 400 mm，支臂梁高hi為600 mm，剛度比K 為5.047。閘門啟門力FQ為2 120 kN，閉門力Fw為－308kN，能靠自重閉門。啟閉機采用QHLY2 ×1250kN 液壓弧門啟閉機。閘室段結構圖見圖1

圖1 閘室段結構圖

2 渠首泄洪閘弧門支座設計

2.1 基礎資料

混凝土強度標準見表1。

表1 混凝土強度標準值表 N/mm2

表2 混凝土強度設計值表 N/mm2

2.2 計算閘墩一側弧門支座推力值FK

計算工況為閘門關閉時引水水位為176.20 m時: 孔口寬度B 為16 m，底砍高程為169 m，弧門半徑R 為10.5 m，

計算數據如下:

浪壓力= 766.9 kN

靜水壓力:水平靜水壓力=4147.2 kN，垂直靜水壓力=2594.7 kN

浪壓力與靜水壓力總合計即為閘墩弧門支座推力值=5 557.0 kN，則閘墩一側弧門支座推力值FK=2 779 kN，與水平方向的夾角α =31.1°。

2.3 弧門支座參數

初擬弧門支座尺寸，具體數據見表3。

表3 弧門支座基本參數表

根據不同的混凝土強度等級、弧門支座寬度b 和縫墩厚度B，初擬9個方案進行比選，各個方案見表4。

表4 弧門支座方案表 m

2.4 弧形支座附近閘墩的局部受拉區的裂縫控制

應滿足下列公式要求:

1) 閘墩受兩側弧門支座推力作用時:

2) 閘墩受一側弧門支座推力作用時:

式中: FK為按荷載標準值計算的閘墩一側弧門支座推力值，N; b 為弧門支座寬度，mm; B 為閘墩厚度，mm; eo為弧門支座推力對閘墩厚度中心線的偏心距，mm; ftk 為混凝土軸心抗拉強度標準值，N/mm2;不能滿足上式要求時，應加大弧門支座寬度或提高混凝土強度等級。計算結果見表5。

表5 弧門支座附近閘墩的局部受拉區得裂縫控制計算表

2.5 閘墩局部受拉區的扇形局部受拉鋼筋的計算

閘墩局部受拉區的扇形局部受拉鋼筋截面面積應滿足下列公式要求:

1) 閘墩受兩側弧門支座推力作用時:

2) 閘墩受一側弧門支座推力作用時:

式中: K 為承載力安全系數，泄洪閘為1 級建筑物，查表為1.35; F 為閘墩一側弧門支座推力的設計值，N; Asi 為閘墩一側局部受拉范圍內的第i 根局部受拉鋼筋的截面面積，mm2;fy 為局部受拉鋼筋的抗拉強度設計值，N/mm2; B'0為受拉邊局部受拉鋼筋中心至閘墩另一邊的距離( mm) ; αs為局部受拉鋼筋合力點至截面近邊緣的距離; θ 為第i 根局部受拉鋼筋與弧門推力方向的夾角。閘墩局部受拉鋼筋宜優先考慮扇形配筋方式，扇形鋼筋與弧門推力方向的夾角≤30°，扇形鋼筋應通過支座高度中點截面上的2 b 有效范圍內，b 為弧門支座寬度。

閘墩局部受拉鋼筋從弧門支座支承面( 截面1—1) 算起的延伸長度，≥2.5 h( h 為支座高度) 。局部受拉鋼筋宜長短相間地截斷。閘墩局部受拉鋼筋的另一端應伸過支座高度中點截面( 截面2—2) ，并且至少有一半鋼筋應伸至支座底面( 截面3—3) ，并應采取可靠的錨固措施，詳見圖2

當弧門支座距離閘墩頂部距離較小時，在閘墩頂部宜配置一至二層水平限裂鋼筋網，鋼筋直徑可取16 ～25 mm;間距可取150 ～200 mm。計算結果見表6。

表6 閘墩局部受拉區的扇形局部受拉鋼筋的計算

2.6 弧門支座的剪跨比

弧門支座的剪跨比a/h0宜＜0.3( a 為弧門推力作用點至閘墩邊緣的距離) ，其截面尺寸應符合下列要求:

1) 弧門支座的裂縫控制要求;

2) 支座的外邊緣高度h1≥h /3。

3) 在弧門支座推力標準值Fk作用下，支座支撐面上的局部受拉應力≤0.75 fc，否則應采取加大受壓面積、提高混凝土強度等級或設置鋼筋網等有效措施。計算結果見表7。

表7 弧門支座尺寸應符合的要求

2.7 弧門支座的縱向受力鋼筋截面面積計算

弧門支座的縱向受力鋼筋截面面積按下列公式計算:

式中: As為受力鋼筋的總截面面積，mm2; α 為弧門支座推力作用點至閘墩邊緣的距離，mm; fy 為受力鋼筋的抗拉強度設計值，N/mm2。

承受弧門支座推力所需的受力鋼筋的配筋率≥0.2%。中墩支座內的受力鋼筋宜貫穿中墩厚度，并應沿弧門支座下彎深入墩內≥15 d( 見圖3) ，在此，d 為受力鋼筋直徑。邊墩支座內的受力鋼筋應伸過邊墩中心線后在延伸一個錨固長度la，另一端伸入墩內的長度≥15 d。計算結果見表8。

圖3 中墩弧門支座截面構造圖

2.8 弧門支座箍筋的設置

弧門支座應設置箍筋，箍筋直徑應≥12 mm，間距可為150 ～250 mm，且在支座頂部2 h0/3 范圍內的水平箍筋總截面面積不應小于受力鋼筋截面面積的50%。對于承受大推力的弧門支座，宜在垂直于水平箍筋的方向布置適當的垂直箍筋。計算結果見表9。

表8 弧門支座的縱向受力鋼筋配筋計算

表9 弧門支座水平箍筋配筋計算表

根據結構及配筋計算結果，泄洪閘弧門支座方案工程量及投資見表10。

表10 北引渠首泄洪閘弧門支座方案工程量及投資表

根據表10 分析可知，以工程量投資角度方案2、3、4 較優，由于泄洪閘閘室底板及閘墩混凝土選用的強度等級為C 20，為了避免水化熱過大引起混凝土開裂的危害，弧門支座及扇形筋附近混凝土的強度等級不宜與C 20 跨度太大，否則，容易出現裂縫，綜合考慮各方面因素，最終選定方案二。

3 結 語

1) 弧門支座是一個短懸臂構件，起著將荷載傳遞給閘墩的作用，其可靠性關乎整個溢流建筑物的安全，應給予足夠重視。

2) 弧門支座的設計不僅要保證支座及閘墩本身的強度，還要保證兩者的連接強度。

3) 過弧門支座結構及配筋計算，經過分析、論證和比較后，確定合理方案和設計成果。使之所提出的成果達到安全可靠、經濟、合理。

［1］水利部水利水電規劃設計總院. L191—2008 水工混凝土結構設計規范［S］. 北京:中國水利水電出版社，2008.

［2］黑龍江省水利水電勘測設計研究院. 尼爾基水利樞紐配套項目黑龍江省引嫩擴建骨干一期工程可行性研究報告［R］. 哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2010.