合頁閘底板結構設計方案的優化比選

鄭金亮，尚常清

（1.水發規劃設計有限公司，山東 濟南 250109；2.北京市水利規劃設計研究院，北京 100048）

隨著我國經濟社會的發展和人民生活水平的提高，水利工程建設在滿足防洪、供水、灌溉等功能的同時對水景觀提出了更高的要求。合頁閘相比于其他形式閘門，具有壩面整齊、造型美觀，可形成人工瀑布的特點，更有利于提升城市水景觀[1]。另外，當面臨強降雨等極端惡劣天氣時，即使失去動力電源，合頁閘仍能夠自動降閘宣泄洪水，以保證城市防洪安全[2]。近年來，合頁閘作為新型低水頭攔蓄建筑物在城市河道治理中得到更多的應用。洸府河綜合治理在洸府河樁號27+700 處新建節制閘1 座，抬升河道常水位，打造良好的水景觀效果。節制閘建筑物級別2 級，經閘型比選確定選用合頁閘。

1 閘室布置

洸府河合頁閘閘室共1 孔，總凈寬60 m，由4 道伸縮縫將閘室分為5 聯（中間3 聯寬度均為12 m、兩邊聯寬度均為13.2 m），每聯各設2 扇、共計10 扇合頁式閘門。閘底板順水流方向長16 m，閘門上游底板長9 m、頂高程37.2 m、底板厚2.55 m，下游底板長7 m、頂高程35.85 m、底板厚1.2 m。兩岸岸墻與底板合建，墻高8.1 m，墻頂高程42.75 m，頂寬0.5 m，底寬1.2 m。正常蓄水位42 m，擋水高度4.8 m。閘室縱斷面圖見圖1。

圖1 閘室縱斷面示意圖

2 基底應力及沉降計算

2.1 閘底板基底應力計算

根據《水閘設計規范》（SL265-2016），當結構布置及受力情況對稱時，按下式計算閘室基底應力[3]。

式中：Pmaxmin為閘室基底應力的最大值或最小值，kPa；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載（含揚壓力），kN；∑M為作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m；A為閘室基底面的面積，m2；W為閘室基底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3。

洸府河合頁閘底板基底應力計算成果見表1。從計算結果分析可知：

表1 洸府河合頁閘底板基底應力計算成果表

1）各工況下作用在閘底板上的全部豎向荷載的合力偏向上游，閘底板上游基底應力大、下游基底應力小，最大與最小應力比均不滿足規范要求且超出規范值較大。

2）由于閘底板應力比較大，將產生過大不均勻沉降。

3）閘底板及閘門布置等滿足抗滑穩定要求。

2.2 沉降計算

按垂直均布荷載和垂直三角形荷載同時作用在矩形基礎上的模型，用角點法計算底板上下游點的地基中的附加應力，并用分層總和法計算沉降量[4]。通過計算[5]，底板上游點沉降量為42.66 mm、下游點沉降量為32.21 mm、沉降差10.45 mm。將底板、門體和支撐系統作為剛體考慮，則閘門頂部位移為25 mm。

對于合頁閘此類“門門相連”的特殊閘型，若閘底板不均勻沉降過大，將會引起閘門產生相對位移，當相對位移大到一定程度，輕則閘門止水則失效[6]、接縫漏水，重則閘門相互擠壓變形，升降困難。故設計中應合理布置合頁閘底板結構形式及尺寸，使基底應力分布更加均勻，減小閘底板不均勻沉降。

3 結構設計方案優化

結構優化的目的是通過對閘底板結構形式或尺寸進行調整，改變閘底板基底應力分布，從而減小閘底板不均勻沉降。

閘底板沉降差大主要是由底板自重和閘門上游水重兩個荷載偏心距偏向上游過大引起的。考慮到閘底板長度和厚度需滿足閘門的布置空間及錨固件錨固深度的要求，可通過加大底板長度或調整底板結構形式兩種方案解決此問題。

3.1 加大底板長度（方案一）

本方案將閘門軸線上游底板長度由9 m 調整為13 m，底板總長度由16 m 調整為20 m。對底板基底應力進行重新計算，成果詳見表2。調整后，底板上游點沉降量為66.12 mm、下游點沉降量為51.26 mm、沉降差14.86 mm，閘門頂部位移為34 mm。

表2 加大底板長度后閘室基底應力計算成果表

3.2 調整底板結構形式（方案二）

合頁閘閘門支撐系統決定了閘門軸線上下游底板厚度相差較大，從而底板自重偏心距較大。通過在上游底板開孔來減小上游底板自重并調整整個底板重心位置。孔洞截面尺寸一定的情況下，應盡量靠近底板上游，使底板重心盡量靠近底板垂直水流方向的形心軸。本方案開孔截面尺寸4 m×1.45 m，孔洞上游側壁厚1 m、下游側壁厚4 m，垂直水流方向單延米底板可減少重量145 kN，底板自重荷載偏心距由1.4 m 減小至0.5 m。優化后的閘室縱斷面見圖2。

圖2 調整底板結構形式后的閘室縱斷面圖

對調整底板結構形式后的底板基底應力進行重新計算，成果詳見表3。調整后，底板上游點沉降量為36.81 mm、下游點沉降量為32.66 mm、沉降差4.15 mm，閘門頂部位移為15 mm。

表3 調整底板結構形式后的閘室基底應力計算成果表

各方案閘底板基底應力比、抗滑穩定安全系數及沉降差計算成果匯總見表4。

表4 各方案計算成果匯總表

3.3 優化成果對比

3.3.1 原設計和方案一對比

1）加大閘門軸線上游底板長度后，各計算工況下的應力比均有所減小，對優化基底應力分布有一定的作用，但效果不明顯且仍超出規范值。

2）由于閘底板長度的增加，使閘底板自重和上游水重增大，從而抗滑穩定安全系數進一步增大，抗滑安全性過于保守。

3）隨底板長度的增加，閘底板沉降量和沉降差均增大，閘門位移亦隨之增大。故從技術和經濟方面考慮，加大閘門軸線上游底板長度來優化基底應力分布是不合適的。

3．3．2 原設計和方案二對比

1）調整底板結構形式后各計算工況下的應力比均有明顯減小，基底應力分布更加均勻，應力比滿足規范要求。

2）底板混凝土用量減少降低工程投資的同時，抗滑穩定安全系數仍滿足規范要求。

3）調整底板結構形式后，底板上游沉降值減小，下游沉降值基本保持不變，沉降差減小，閘門位移亦隨之減小。故本優化方案是合適的。

4 結 語

合頁閘作為新型低水頭攔蓄建筑物，相比其他傳統形式水閘，在實際工程中的應用時間較短[7]，目前仍未形成統一產品標準。即使是相同特征參數的閘門，不同的廠家有不同的門體結構、支撐結構和錨固系統等，對鋼筋混凝土底板布置和尺寸也有不同的要求。這就要求設計單位針對不同產品，優化土建結構布置和尺寸，做到即安全可行又經濟合理。本文擬定兩種不同的底板結構優化方案，并分析基底應力重分布和沉降值的變化情況，對比優化效果，選擇合理的優化方案，為類似工程設計提供借鑒。