水利工程建筑結構設計概要

文｜甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司 王福鵬

甘肅中部生態移民扶貧開發供水工程位于白銀市靖遠縣北部及平川區境內，工程任務以高效農業灌溉為主，兼顧農村人飲供水，為區域鞏固脫貧攻堅成果和扶貧產業發展提供水資源支撐和保障，為區域易地搬遷安置和生態環境修復創造條件。本工程初步確定的建設內容包括總干渠1 條，長28.684km；干渠3 條，長108.426km；分干渠4 條，長43.318km；支干渠1 條（現狀利用），長5.4km；支渠（分支）29 條，總長126.571km。在渠道的新建、改造過程中需設置尺寸不同、功能各異的閘室約50多座，肩負著百余孔閘門的起落，在運行期為開展節水型社會的建設發揮不可替代作用。因此在結構設計過程中需要和地勘、金結、建筑、水工等專業反復溝通，完善節點設計。下面將閘室上部結構的設計過程中需要控制的關鍵點進行概述，并對提出相應的解決方案。

1 核查閘室的建設地點，確定計算參數

本工程供水范圍為白銀市的靖遠縣5鄉鎮和平川區5 鄉鎮約99 個村。工程區分布在隴西黃土高原的北部，總體屬基巖低中山區和黃土低中山梁峁區。供水工程線路長，跨越了不同的地震帶，雖然每個閘室體型相似，但坐落于不同的鄉鎮，抗震參數就不一定相同。經過查閱《建筑抗震設計規范》GB50011-2010(2016年版)、《中國地震動參數區劃圖》GB18306-2015，白銀市境內各地的抗震設防烈度和設計基本地震加速度值不盡相同，最終會影響建筑結構的地震影響系數的選用。不僅如此，也會遇到個別項目由于建設地點更改，建筑物的基本風壓和基本雪壓的取值也要做相應調整。因此在閘室的結構設計前，首先應核查每個閘室的建設地點，采用準確的抗震計算參數及抗震設防措施。通過合理的結構計算，每個閘室的設計成果才是既安全可靠，又經濟環保。

雖然閘墩的設計和地基處理方案由水工專業負責，但是遇到下部為多個獨立閘墩上部為連體閘室的建筑物，結構專業應對特殊情況特殊對待。首先根據地質情況判斷連體閘室是否適合整體計算：（1）若閘墩持力層為不發生沉降、液化的穩定地層，如基巖、沖洪積砂礫石，連體閘室可進行整體建模計算；（2）若閘墩下伏土層中夾粉土和砂礫石透鏡體或著為輕微濕陷性黃土，在閘墩地基按照地基處理規范進行地基處理，且建設場地加強了地表排水措施的前提下，連體閘室仍然可以進行整體建模計算；（3）若閘墩位于大厚度濕陷性黃土地區，連體閘室就得考慮設沉降縫進行分段建模計算。因為在黃土高原地區濕陷性土層大多超過20m，地基處理厚度無法完全消除剩余濕陷量，通過相應的地基處理措施（如復合地基、增設土工格柵等）閘墩不會發生嚴重的沉降破壞，但是如果上部連體閘室為整體結構，輕微地基沉降都可能發生嚴重的拉裂破壞。因此結構專業應根據地質斷面核查閘墩的地基處理方式能否完全消除剩余濕陷量，再確定結構設計的方案。

2 區分啟閉機類型，初步設定閘室的平面尺寸

中部移民工程的閘室內設3 種啟閉機，分別為臺車、固卷、螺桿啟閉機。每種啟閉機的運行特點各不相同，在結構設計前考慮的關鍵點也存在著區別，例如金結專業若采用臺車，結構專業應沿著臺車的運行軌跡準確布置移動荷載；金結專業采用固卷啟閉機，結構專業應根據預埋件的位置合理布置主次梁位置,并根據啟閉機重量在屋面梁上設置吊環；金結專業若采用螺桿啟閉機，結構專業應分析各種定位線的相對關系，準確布置起吊孔在樓面板和屋面板的位置。

中部移民工程采用螺桿啟閉機的閘室較多，本文針對此種情況對某閘室進行分析。根據金結專業提供的互提資料（附圖1）提取有用信息，并對關鍵節點提出建議：（1）渠道水流方向為從左向右，閘門的起吊中心線在門槽中心線的上游側，并且有一定的間距；（2）渠道中心線和孔口中心線重合；閘門起吊點和起吊孔的中心重合。起吊孔的中心在起吊中心線上，扁寬梁的中線為起吊中心線。閘門起吊點距孔口中心線距離相等。（3）設備層需預留起吊孔，屋面板需預留螺桿出屋面的孔，混凝土澆筑時可預埋內直徑180mm 的套管。（4）起吊孔宜布置在扁寬梁上，扁寬梁跨度方向應順著預埋鋼板的長向布置。扁寬梁的寬度、高度應根據預埋鋼板的平面尺寸、厚度、錨筋根數和間距等構造要求確定，可參照《混凝土結構設計規范》（2015 版）GB50010-2010 第9.7 條要求設計。（5）根據圖中標注的吊點距墻邊最小距離≥950mm，可初步設定閘室的最小平面尺寸。最終平面尺寸由建筑專業根據相關規定及實際情況確定。（6）因為設備運輸和安裝具有不確定性，建議設備層樓面、懸挑走道板的活荷載標準值取5KN/m2。施工圖中應注明：設備安裝時，應盡可能置設備于就位附近的梁上，嚴禁將設備置于懸挑板上。（7）啟閉機檢修時，必須在樓板上鋪墊枕木，不得直接將設備坐落于混凝土樓板上，防止設備對樓板的沖撞。

3 滿足建筑平、立面要求，確定結構方案

經過建筑專業對閘室的平、立面細化設計，可基本確定閘室的結構設計方案。（1）閘室的安全運行關系著渠道灌溉，且設備層下部的閘門檢修區域不得遮擋，因此宜采用抗震性能較好的框架結構；（2）結構專業核算啟閉機下的扁梁高度，且梁下凈尺寸應滿足金結專業要求，最終由建筑專業確定閘室層高。（3）結構構件的布置應盡可能滿足建筑立面的要求，宜突出施工便捷、美觀實用、節能環保的設計理念，例如立面的縱橫線條多數是由梁、柱突出墻面實現的。若經過計算必需增大結構構件尺寸，應及時反饋給建筑專業調整方案，修改立面線條寬度。（4）通過建筑平面確定閘室鋼梯的起步位置，結構專業應設置獨立的鋼梯基礎或在閘墩上設懸挑梁作為鋼梯基礎，避免地基發生不均勻沉降而導致鋼梯失穩。鋼梯基礎的平面布置應考慮鋼梯預埋件的尺寸和位置。具體尺寸與建筑專業所選的鋼梯型號、角度有關，可參照《15J401》設計。

4 核對閘室與閘墩的相對位置，精準定位

在閘室設計過程中，閘室的定位至關重要。如果閘室與閘墩定位錯誤會導致啟閉機無法正常起吊，造成嚴重的質量事故。各專業在各自施工圖中都有自己定位線且標注重點不同（附圖1、附圖2），結構設計過程中必須核對各專業定位線是否統一。以下幾點應仔細確認：（1）各專業必須在施工圖中明確渠道的水流方向，否則會導致施工圖表達模糊發生歧義，造成施工錯誤；（2）各專業在施工圖上標注的渠道中心線、門槽中心線至閘墩上游樁號的相對距離必須一致，否則會導致上部結構和閘墩錯位，造成啟閉機無法正常運行；（3）起吊中心線一定在門槽中心線的上游側，在布置起吊孔和扁寬梁時要再次核對；（4）若閘室的建筑軸線超出閘墩邊線，說明閘墩平面尺寸不滿足閘室框架柱的嵌固、錨固要求。結構專業應及時向水工專業提供框架柱的相對位置及框架柱的縱向鋼筋直徑，要求水工專業采取措施。通過設計中部移民項目的閘室，水工專業采取了在閘墩邊局部增設設牛腿的方法，有效解決了閘室框架柱的嵌固、錨固問題。牛腿高度設置需滿足閘室框架柱縱向鋼筋錨固的直段要求，柱縱向鋼筋伸入基礎直段≥0.6labE且≥20d，可參照圖集《16G101-3》第65 頁設計。

5 結語

本工程旨在發展高效節水農業、優化用水結構和經濟結構。渠道設計時每段的流量控制需因地制宜，閘室的規模也不能生搬硬套，閘室雖小，卻是灌區大動脈上重要節點。設計人員應端正工作態度，在設計過程中秉承工匠精神從多角度考慮，一絲不茍的對相關設計信息精準分析。參與項目的各專業設計人員要反復溝通精確調整，做到既不冒險設計，也不過渡設計。本文所述的閘室結構設計概要對水利工程的一般閘室具有建設性意見，可從技術角度保障工程質量，提高設計精度，節約施工成本。

近幾年，國家要求高質量發展水利工程，美麗鄉村的生態建設理念也深得民心。傳統的閘室和水利建筑造型已無法與高質量的現代化水利工程相匹配。我們今后的水利建筑設計要響應鄉村振興的戰略，給水利配套建筑賦予或古典秀麗或現代剛毅的性格，把“嚴謹、求實、團結、奮進”的水利精神通過一條條輸水干線傳遞到中華大地的每個角落。