西北某水庫進水塔除險加固設計

張健君

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，蘭州 730000）

1 工程簡介

甘肅省通渭縣錦屏水庫位于渭河支流散渡河上游的牛谷河上，距離下游通渭縣城16 km。水庫總庫容1.2×107m3，工程規模為中型Ⅲ等工程。水庫主要由黏土心墻大壩、輸水泄洪洞、非常溢洪道、管理房及水庫自動化調度中心站等部分組成。水庫始建于20世紀50年代，其間經歷多次改擴建及維修加固。本次除險加固工程的建設任務之一是更換輸水泄洪洞進水塔閘門啟閉機，相應改建啟閉機閘房。

輸水泄洪洞進水口為岸塔式，進水塔下部閘室為3孔流道，均設檢修門和工作門。3個流道經過漸變段匯集后下接輸水泄洪洞。閘室上部現為筒體結構，內設橫水流方向的中隔墻，將筒體內部分隔為檢修門和工作門的運行和檢修空間。筒體頂部為啟閉機閘房。進水塔與岸坡路間設簡易人行橋，啟閉機閘房外有外挑走道板。

改建過程維持結構原啟閉機層高程。筒體結構頂部拆除高度1.5 m，附帶拆除重建上部閘房、啟閉機層板梁及周邊相關聯鋼筋混凝土樓梯。換裝閘門后，按照更新的啟閉機尺寸重新澆筑梁板結構，向上重建閘房。進水塔啟閉機房的重建施工圖設計任務涉及金屬結構和電氣設備選型及安裝、建筑結構設計、現場施工組織等，具有一定的綜合性，本次對結構設計進行介紹。

2 改建設計方案

改建前的進水塔建于20世紀70年代。混凝土強度等級較低，結構設計較為單薄，而且運行至今，結構強度相比新建結構較差。拆除重建的設計重點是保證結構承載力，滿足設備運行管理要求。

結構的基本布置條件為：筒體結構外壁順水流方向長度為9.6 m，橫水流方向寬11.2 m，上游側為弧形面，外筒體厚度為0.6 m，中隔墻厚0.5 m。承重梁兩端整體澆筑在中隔墻與筒體下游側，平面空間布置為筒體的短距方向。工作門啟閉機梁以及檢修門啟閉機梁按照設備的向下傳力點確定，檢修門啟閉機梁兩端澆筑在中隔墻和外筒體上，并與起吊孔口尺寸協調。

進水塔的閘門啟閉狀態按照水庫的運行要求，可以分為幾個典型狀態：蓄水狀態、通水狀態、檢修狀態、偶然狀態。蓄水狀態下，3個流道的檢修門提升至檢修平臺鎖定安置，工作門下閘關閉，啟閉機不輸出提升力，啟閉機層板梁荷載最小。通水狀態可以有單流道、雙流道、三流道過流。檢修門均鎖定至檢修平臺，工作門按照過流通道提升。啟閉機層板梁承擔的最大荷載為三通道同時過流狀態的三道工作門提升力，一般情況為小開度提升中間位置工作門適當下放水量即可，雙流道和三流道過流的狀態很少出現。檢修狀態下，3個檢修門均關閉，3個工作門提升，進行門槽及閘門檢修，啟閉機層板梁的最大荷載為三道工作門的提升力。偶然狀態，檢修門及工作門均提升，啟閉機板梁承擔六道閘門的提升力。正常的閘門開啟方式不會出現此種情況，屬于假想的極限荷載狀態。本次設計以偶然狀態為計算內力的控制工況。

主體結構的設計思路為：重建結構宜按照強梁設計的思路進行。要求適當增大主梁高度，提高彎矩承載力，減小撓度，把梁端變形對筒體結構的影響降到最小。施工期和后期運行過程中，結構最薄弱的位置為新舊結構銜接的冷縫結合面。從結構承載力的角度分析，結合面位置只能豎向受壓，不能承受剪力和彎矩[1]。重建后的筒體、板梁澆筑為整體，內部梁系承載啟閉機自重及起吊閘門荷載產生的彎矩值和剪力，結合面上只承擔豎向壓力。結構起吊力加載位置及結構縱剖面圖如圖1所示。重建梁系結構按網格梁結構計算內力協調條件與變形協調條件，手工計算工作量較大。采用工程設計常用的結構工具箱軟件與PKPM軟件計算結果比較確定鋼筋規格與布置形式。

圖1 啟閉機層重建結構縱剖面圖

初次擬定的梁系結構截面尺寸為：承重梁（梁1），跨凈距5.1 m、寬0.4 m、高0.8 m，工作門啟閉機梁（梁2），最大跨凈距3.2 m、寬0.3 m、高0.6 m，檢修門啟閉機梁（梁3），最大跨凈距2.8 m、寬0.3 m、高0.6 m。新建結構按照水利行業的標準采用C30鋼筋混凝土。

計算荷載為結構自重，控制工況的閘門提升力和啟閉機層樓面均布荷載，工程區地震基本烈度為Ⅷ度。初次計算承重梁的縱向受力鋼筋配置為11根HRB400級鋼筋，直徑28 mm，鋼筋間距太小，不易保證混凝土澆筑質量。二次試算將承重梁截面尺寸調整為寬500 mm，高1 000 mm。重新計算的選筋結果為9根直徑28 mm的鋼筋，采用下5上4的方式雙層布設，鋼筋間距滿足和規范要求。

經過對荷載、結構尺寸復核，計算結果比選和分析，以及參考類似結構設計成果，確定重建梁系解結構的布置為：承重梁（梁1），跨凈距5.1 m，寬0.5 m，高1.0 m，工作門啟閉機梁（梁2），最大跨凈距3.2 m，寬0.3 m，高0.6 m，檢修門啟閉機梁（梁3），最大跨凈距2.8 m，寬0.3 m，高0.6 m。

結構及配筋的一般要求為：梁系結構主要承擔提升閘門的起吊力引起的彎矩和剪力。縱向受拉鋼筋和彎起鋼筋抵抗跨中彎矩，彎起鋼筋和箍筋抵抗梁端剪力[2]。根據計算的正截面配筋率實際選配縱向受力鋼筋。外筒體和中隔墻坐落在混凝土拆除面上，控制性內力是梁端彎矩引起的扭矩。鋼筋以縱向直筋和橫向箍筋增強外筒體的整體抗扭能力。

筒體和梁系的鋼筋布置形式是保證結構強度的重要措施。結構鋼筋制作與安裝以計算配筋結果為依據，補充構造措施。計算結果及選筋結果見表1。縱筋的配筋率為0.44%，梁端縱筋的配筋率為1.1%，梁板結構平均含筋量為178 kg/m3。一般新建進水塔塔身垂直方向為受力主筋，水平方向為分布筋，構成面層鋼筋。啟閉機層重建結構外筒鋼筋水平向為受力通長鋼筋，橫向為抗扭箍筋，均為受力鋼筋。

表1 梁系結構彎矩及正截面配筋成果表

3 整體設計及結合面補強措施

啟閉機層閘房樓板，最大跨度3.2 m，按照雙向板布置雙層鋼筋，外挑板布設面層受拉鋼筋。啟閉機層板的起吊孔開口位置四角布設加強鋼筋，梁系結構與外筒交接接位置和梁系結構之間的交叉位置，均按45°或30°與梁縱向鋼筋的夾角水平布設抗剪加強鋼筋。

啟閉機層上部閘房結構：閘房柱位置選定在外筒轉角處及外筒與中隔墻丁字相交位置，共布置6根柱腳，截面尺寸600 mm×600 mm。柱頂梁系結構按照啟閉機設備的位置布置。

進水塔筒體內原有的內部通道為：檢修工作門的鋼筋混凝土樓梯，檢修門的預埋鋼筋鋼爬梯。重建結構需要恢復通行功能。鋼筋混凝土樓梯拆除后，原樣恢復設計的樓梯與現場拆除的位置很難對接，采用制式鋼梯銜接拆除后的樓梯平臺與啟閉機層下人孔位置[3]。檢修門的預埋鋼筋鋼爬梯恢復埋設，與原位置對接。

筒體外側設有1.5 m寬的外挑走道板，鋼欄桿防護，滿足巡視功能和建筑美化作用。

筒體的新舊混凝土銜接位置接縫補強措施。原筒體和中隔墻拆除高程以上，拆除過程保留長0.5 m的豎向受力鋼筋，與新建結構的鋼筋骨架焊接成整體。接觸面筒體軸線位置采取植鋼筋措施。植鋼筋規格為HRB400級鋼筋，直徑25 mm，植筋間距0.5 m，梅花形布置，植鋼筋錨孔深度1.0 m，孔內灌注結構膠，接觸面外預留1.0 m澆筑到新混凝土中。拆除面鑿毛后清理干凈。

啟閉機層與庫邊公路原有人行交通橋連接。橋端搭接在獨立橋墩上，交通橋與啟閉機層的結構相互獨立。本次除險加固沒有對交通橋的維修任務。進水塔的拆除及重建過程不能擾動交通橋結構。

4 結語

水利行業現階段普遍進行各類除險加固工程建設任務，涉及許多老舊結構需要拆除重建。本次對錦屏水庫輸水泄洪洞進水塔的啟閉機閘房的拆除重建設計任務，整體設計過程的前期資料掌握，明確工程任務，設計重點分析，結構布置、配筋設計，以及功能性設計，相關設計參數和思路對類似工程可以酌情借鑒。