【摘要】隨著近幾年灌區(qū)工程的蓬勃發(fā)展，樞紐工程中的分層取水建筑物結(jié)構(gòu)型式也是多種多樣。筆者在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中接觸了幾類不同類型的分層取水建筑物，從前期設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)，每一種類型的取水建筑物的優(yōu)缺點(diǎn)不一而足。下面簡(jiǎn)要介紹筆者參與的宣漢白巖灘水庫(kù)取水建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】白巖灘；水庫(kù)取水；建筑設(shè)計(jì)

1、工程概況

白巖灘水庫(kù)位于四川省達(dá)州市宣漢縣峰城和鳳林鄉(xiāng)境內(nèi)沉水河上，水庫(kù)工程開(kāi)發(fā)任務(wù)為以灌溉為主。水庫(kù)蓄水后，將改變?cè)烊缓拥浪鳁l件，水溫分層狀態(tài)會(huì)有明顯變化，水溫將有所降低，水庫(kù)低溫水下泄對(duì)魚(yú)類和農(nóng)作物灌溉有一定影響，因此采用表層取水的型式。

取水塔選用了圓形取水塔型式，位于庫(kù)內(nèi)，取水流量14m3/s：在取水塔六個(gè)方向分別設(shè)六個(gè)取水孔口，孔口尺寸（寬×高）1.5m×2.1m，高程分別為685.00m，693.00m，701.00m，709.00m，717.00m，724.00m。每個(gè)孔口設(shè)一扇工作門，一扇攔污柵。圓筒底座為長(zhǎng)16.5m，寬11.5m的C20混凝土基礎(chǔ)底座，基礎(chǔ)底座中設(shè)一直徑3m的上連進(jìn)水塔的豎向取水通道，基礎(chǔ)底座中在高程681.00m設(shè)斷面3×3m的水平進(jìn)水通道，水平進(jìn)水通道頂接豎向取水通道，水平進(jìn)水通道設(shè)取水洞進(jìn)口事故閘門（3.0×3.0-65.0）一扇，水平進(jìn)水通道前接C25混凝土固定攔污柵（4.0×20），后接取水隧洞，隧洞直徑D=3m；取水隧洞接出口弧形工作門，由工作門控制取水流量，弧形門后接消力池與灌溉渠道。

2、過(guò)流能力計(jì)算

取水建筑物的過(guò)流能力計(jì)算主要包括： 計(jì)算確定庫(kù)水位高于距其最近一層取水門底坎多高時(shí)即需開(kāi)啟之下一層閘門以滿足取水需求；隧洞在死水位時(shí)在無(wú)壓流狀態(tài)時(shí)能滿足取水需求；弧形門過(guò)流能力。

1）開(kāi)啟下層閘門預(yù)警水位計(jì)算如下：

采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001，（水閘規(guī)范P56，水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)）

閘孔出流計(jì)算公式為：Q=бsμ0ω（2gHo）0.5

式中：Q—泄流量（m3/s）；

бs—淹沒(méi)系數(shù)；

ω—過(guò)流面積；

μ0—自由出流的流量系數(shù)；

H0—包括行進(jìn)流速水頭的閘前水頭（m）

以最高一層取水工作閘門為例進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

水位進(jìn)口底板高程流量流速系數(shù)收縮系數(shù)過(guò)流面積重力加速度水頭（m）

mmQ（m3/s）φεA（m2）g（m/s2）H0

731（正常水位）72424.40.980.6753.159.87

72772415.970.980.6753.159.83

726.372414.000.980.6753.159.52.3

72672413.040.980.6753.159.82

7257249.220.980.6753.159.81

當(dāng)取水工作閘門底坎以上水頭大于2.3m，取水塔每一層分層取水流量均滿足要求；當(dāng)閘門底坎以上水頭小于2.3m時(shí)，需開(kāi)啟下一層閘門進(jìn)行取水。

2）隧洞在是死水位下過(guò)流能力計(jì)算如下：

隧洞過(guò)流計(jì)算采用下式進(jìn)行計(jì)算

式中：—流量系數(shù)，0.385

B—過(guò)流斷面寬度，m

H—隧洞上作用水頭

計(jì)算結(jié)果如下：

水位進(jìn)口底板高程流量流量系數(shù)過(guò)水寬度重力加速度水頭備注

mmQ（m3/s）mbg（m/s2）H0（m）

68067726.610.38539.83

在死水位下，隧洞本身的過(guò)流能力滿足取水需求，且大于取水需求，需由末端弧形門控制開(kāi)度進(jìn)行取水。

3）弧形門過(guò)流能力計(jì)算如下：

閘門開(kāi)啟高度轉(zhuǎn)軸與落點(diǎn)高差弧形門半徑弧形門夾角垂直收縮系數(shù)流量系數(shù)單寬孔數(shù)流量

e（m）C（m）R（m）αεμB（m）nQ（m3/s）

0.24650.70 0.720.741 3114.0

在正常水位下，閘門局部開(kāi)啟高度為0.2m時(shí)能滿足取水要求。隨著水位庫(kù)水位消落，閘門開(kāi)啟高度相應(yīng)調(diào)整。

3、取水塔基礎(chǔ)穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算

取水塔連基座總高為63.9m，將其基礎(chǔ)置于強(qiáng)風(fēng)化砂巖底部～弱風(fēng)化砂巖頂部，該部位基礎(chǔ)承載能力為1.2～1.5Mpa。穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下。出口弧形門也做了相應(yīng)的穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算，未列于本文中。

1）取水塔抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式：

式中：k—按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

ΣW—豎向力總和；

ΣP—水平向力總和；（下轉(zhuǎn)第頁(yè)）

（上接第頁(yè)）

f′—閘室基底面與地基之間的抗剪斷摩擦系數(shù)；

c′—閘基砼與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力；

A—閘室與基巖接觸面的面積。

2）取水塔基座截面的垂直應(yīng)力計(jì)算公式：

σy ------壩踵、壩趾垂直應(yīng)力，kPa

W------鉛直荷載總和，kN

M------作用在計(jì)算單元的全部荷載對(duì)基底面垂直水流方向形心軸的力矩，kN·m

A--------基底面面積，m2

B--------基底長(zhǎng)度，m。

經(jīng)計(jì)算，取水塔抗滑及基底應(yīng)力結(jié)果如下：

計(jì) 算 工 況計(jì)算抗滑

安全系數(shù)

k計(jì)算抗浮

安全系數(shù)

k允許

安全

系數(shù)

上游基底應(yīng)力（MPa）備 注

下游

基本完建>5>53.00.6940.657容許應(yīng)力

[α]=

1.2～1.5MPa

正常水位>51.703.00.3770.423

特殊

組合檢修情況>51.392.50.310 0.142

校核洪水位>51.652.50.365 0.417

盡管塔身較高，但由于上部塔身布置工作門對(duì)空間的需求，基礎(chǔ)底座尺寸較大，從而也起到了擴(kuò)大基礎(chǔ)的作用，整個(gè)結(jié)構(gòu)的基底應(yīng)力仍在基巖承載能力范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)是可行的。

4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)反思

由于取水塔整體形狀為圓形，在控制工況檢修工況（取水塔內(nèi)無(wú)水）下受力情況較好，結(jié)構(gòu)配筋較??；但因?yàn)殚l門在圓形結(jié)構(gòu)上開(kāi)孔較多，造成了局部應(yīng)力集中，塔身需要進(jìn)行局部應(yīng)力計(jì)算，加大配筋，一定程度上喪失了圓形結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

由于每層取水門呈螺旋形布置于塔身的不同高層，導(dǎo)致每隔一段高程塔身結(jié)構(gòu)就要發(fā)生變化，導(dǎo)致鋼筋布置相對(duì)復(fù)雜；根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)的要求：水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，不同高程的門需要檢修時(shí)應(yīng)有可靠的方式到達(dá)該閘門，但由于塔外形為圓形，每層取水門高差為8m（7m），在布置跑梯時(shí)很不方便，若設(shè)置垂直鋼爬梯，總共塔高51.40m，維護(hù)人員上下交通極不方便，存在安全隱患；同時(shí)，由于塔身采用圓形結(jié)構(gòu)，上部啟閉閘房的建筑部分也采用了圓形結(jié)構(gòu)，圓形結(jié)構(gòu)擁有較為漂亮的外觀，但是在設(shè)計(jì)和施工上相對(duì)較難、不便捷。相較本工程的設(shè)計(jì)，伸縮式套筒門取水建筑物的水工結(jié)構(gòu)為排架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)受力明晰，施工圖設(shè)計(jì)較快捷，施工也較方便；采用套筒鋼閘門，金結(jié)專業(yè)沒(méi)有塔身上的交通要求，因此不需要在塔身上布置上下交通樓梯；門葉結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，自重輕，鋼材用量小。

白巖灘取水建筑物中即便對(duì)隧洞出口孔口進(jìn)行了壓坡以減小閘門孔口尺寸，在正常工作情況下，出口弧形門需要長(zhǎng)期小開(kāi)度局開(kāi)進(jìn)行取水，這種情況下可以考慮將出口弧形門改設(shè)為錐形閥門。

5、結(jié)語(yǔ)

白巖灘取水建筑物工程已全部施工完畢，盡管圓形塔身及多層取水門在施工過(guò)程中給建設(shè)單位的施工水平帶來(lái)了一定程度的挑戰(zhàn)，但該施工仍能順利開(kāi)展，建筑物本身也能滿足工程需求。在今后的設(shè)計(jì)工作中，初期設(shè)計(jì)分層取水建筑物結(jié)構(gòu)形式時(shí)，應(yīng)盡量考慮在滿足取水要求的前提下，金屬結(jié)構(gòu)的檢修及施工方便安全。雖然白巖灘水庫(kù)取水建筑物的設(shè)計(jì)尚有需改進(jìn)的地方，但是正是這些從設(shè)計(jì)及施工中獲得的經(jīng)驗(yàn)，讓我們?cè)趯?lái)的設(shè)計(jì)中能考慮得更周全，設(shè)計(jì)出更好的水工建筑物。