喬國龍

（遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

1 概況

遼寧省重點輸水工程取水口位于HR水庫庫區(qū)，由取水口構筑物、地下消能電站、無壓隧洞組成。水庫校核洪水位309.1 m，取水口處高程為285.0 m，取水口基坑開挖采用預留巖坎加圍堰擋水的施工方案。設計結構為單列雙層布置取水，下層取水口底高程258.2 m，上層取水口底高程271.0 m，取水孔口尺寸均為6.0 m×7.0 m。每個取水口均設有工作閘門，工作閘門下游設有擋水胸墻。取水口后接有2條長為156.7 m的圓形壓力隧洞，成洞洞徑為4.5 m，隧洞起點底板高程258.2 m。每條壓力隧洞進口各布置有1孔事故檢修閘門，檢修閘門孔口尺寸為4.5 m×6.75 m（寬×高）。

取水口金屬結構：HR取水首部進口設置1孔攔污柵，然后依次設置為可分2層取水的取水工作閘門。取水工作閘門設置于攔污柵槽后，采用分層取水方式，共分二層。工作閘門動水啟閉，不調節(jié)流量，閘門關閉時利用水柱閉門。進口攔污柵和分層取水工作閘門共用一臺2×1 250 kN臺車式啟閉機分別配合鉤環(huán)式、液壓穿銷式自動抓梁啟閉。臺車軌道中心距10.5 m。臺車上游側下部懸掛1套抓斗式自動清污設備，用以清除攔污柵上的污物。

分層取水閘門后為進口消能電站引水管道，分別布置了1孔電站進水管事故閘門門槽和1孔電站旁通管事故檢修閘門門槽。每扇事故閘門利用1臺2×630 kN固定卷揚機啟閉，操作條件為動閉靜啟，利用閘門上的充水閥充水平壓。閘門操作條件為靜水啟閉。

取水口豎井混凝土澆筑已于2014年10月澆筑完畢，至事故閘門落閘時豎井混凝土強度已達設計強度。

2 事件由來

按照節(jié)點工期要求，工程應在2015年10月1日前具備通水條件，進口圍堰拆除工作須在2014年11月前進行。當時庫區(qū)水位為▽289 m，圍堰頂高程為▽307.6 m。考慮幾方面原因：一是為減少圍堰水下拆除工程量、及早完成圍堰瘦身及水面以上堰體拆除工作；二是此時取水口部分建筑物、地下電站及下游隧洞等主體工程也正在同時施工；三是圍堰拆除施工過程中采用液壓破碎錘、爆破等方式，對圍堰原有防滲體系可能造成破壞，進而發(fā)生滲漏水甚至涌水，威脅下游主體工程施工安全。故為了防止可能造成的工程損失，確保工程安全，經參建各方研究決定，在取水口工作閘門未進場的前提下，進水口事故閘門進行應急性臨時落閘工作。

3 綜合評價

3.1 事故閘門門體計算

依據規(guī)范SL74-2013《水工鋼閘門設計規(guī)范》，閘門設計水位309.1 m，閘門底坎高程258.2 m，孔口尺寸4.5 m×6.75 m（寬×高）；事故檢修閘門操作條件為動水關閉，靜水啟升，平壓方式采用充水閥。

閘門水封4.72 m×6.9 m（寬×高），動水系數采用1.1，經計算總水壓力為1 739.3 t。

考慮面板的局部彎應力與面板兼作主（次）梁翼緣的整體彎應力相疊加后的折算應力，經計算得知 σzh=2 504＜1.1α[σ]=3 542 kg/cm2；啟閉機為113.82 t，小于設計采用的固定卷揚啟閉力160 t。

故在取水口校核洪水位309.1 m時，閘門自身結構滿足強度要求。

3.2 事故閘門閘墩結構計算

根據工程實際，采用龍門吊對事故閘門進行臨時落閘，在整個圍堰水下拆除的過程中均采用事故閘門進行擋水，且取水首部后面的壓力引水洞襯砌大部分還未施做，不能對事故閘門閘墩提供足夠的支撐；故需對事故閘門的閘墩進行結構計算分析其在擋水過程中的穩(wěn)定問題。由于兩側邊墩均有圍巖支撐，故只對中墩進行穩(wěn)定分析。

該次計算分別采用結構力學和材料力學、有限元方法對東湖電站取水頭部閘門中墩進行分析計算，采用設計水位時最不利檢修工況下的荷載組合對中墩閘門槽進行受力分析，以期驗算閘門槽在既定設計條件下的力學性能以及穩(wěn)定性。

首先對結構進行適當簡化，力學模型選取范圍為底板高程258.2 m以上6.75 m范圍。根據實際情況，模型底部為底板固端約束，上部結構固端約束，簡化模型見圖1。

3.2.1 結構力學和材料力學方法

按取水頭部最高水位309.1 m考慮，中墩主要承受由閘門滾輪傳遞的水壓力。閘門中心高程261.6 m，閘門面積32.57 m2，每扇閘門共有10個滾輪承擔傳遞荷載的任務，則傳遞到每個滾輪荷載約為1 527.1 kN，據受力示意圖可知，中墩兩側共受10個滾輪傳遞的荷載。

根據材料力學方法，可知Iz=50.7 m4,根據附圖所示梁的彎矩圖可利用公式：

式中：跨端彎矩 M=9 627 kN·m，應力 σ=188 kN/m2；跨中最大彎矩 M=5 147.6 kN·m，應力σ=100.5 kN/m2。兩者均小于C35混凝土軸心抗拉強度設計值 ft=1.57 N/mm2=1 570 kN/m2。按最小配筋率0.2%需配置受力鋼筋。

3.2.2 有限元方法

根據閘墩結構建立有限元模型，X向為逆水流向，Z向為豎直向上，Y向為順水流向右側。

圖1 取水頭部閘門中墩簡化模型（單位：mm）

對有限元模型進行受力分析，分別形成X向應力云圖、Y向應力云圖和Z向應力云圖，圖中“負”值為壓應力區(qū)域，“正”值為拉應力區(qū)，數值單位為Pa。從應力結果中可以看出，中墩以壓應力為主，拉應力區(qū)很小，拉應力區(qū)主要集中在中墩門槽下游側角部范圍，且收斂很快。拉應力最大值為0.199 MPa，壓應力最大值為1.35 MPa，均小于設計混凝土抗拉、抗壓強度，說明中墩在最不利工況荷載組合下處于安全運行狀態(tài)。

配筋設置考慮到工程為Ⅰ等規(guī)模的Ⅰ級建筑物，設計使用期限為100年，該次計算采用極限應力計算鋼筋面積法，即假如最大受拉應力全部由鋼筋承擔而混凝土不承擔受拉作用，σ≤Kfy·As，其中，

fy為鋼筋抗拉強度設計值300 MPa，σ=0.199 MPa，K=1.35，則：As≥Kσ/fy=895 mm2。根據計算結果需要按最小配筋率進行構造配筋。

建議實際配筋量應比按有限元計算結果及構造配筋量要大，原因在于門槽處受力復雜，計算時假定的荷載通過二期混凝土均勻傳遞到一期混凝土上不一定是實際受力情形；另外從門槽受力安全角度出發(fā)，在門槽范圍內適當增大鋼筋用量是很有限的，但對于保證工程的安全穩(wěn)定性是至關重要的。

4 評價結論

1）工程取水口事故閘門的總體布置、設備選型及有關技術參數的選擇基本合理，閘門門體及啟閉能力符合現(xiàn)行技術規(guī)程和規(guī)范的要求，閘門可以在取水口校核洪水位309.09 m工作。

2）工程取水口閘墩混凝土在水庫水位為309.09 m時均能滿足結構安全的需要。