从带胸墙式水闸的结构设计谈水闸设计规范 (SL265-2001)的修编

刘世煌

(水利部水利水电规划设计总院,北京 100120)

随着水利水电事业的发展,我国在丘陵、山区修建了一大批水利水电枢纽,其中有相当部分挡水泄水建筑物为中低水头的闸坝。

这些闸坝大多建设在岩石或砂砾地基上,由于库容及装机较小,大部分建筑物级别不高,但上下游水头差却较大,相应闸室结构尺寸也较大,结构形式也较为复杂,部分闸坝高度已从10～20m,提高到30～50m,闸室上下游水头差已超过40m,许多闸坝还带有较大的胸墙,胸墙的高度已达30m,厚度达4m。虽然这些闸坝尺寸较大,但仍属于中低水头挡水泄水建筑物,仍按水闸设计规范进行设计。

表1 近期我国水利及水电工程中带胸墙水闸结构尺寸

我国颁布的第一部水闸设计规范为《水闸设计规范(试行)》(SD133-84),是在总结我国20世纪50～70年代在江苏、安徽等平原地区建设大批水闸经验基础上编制而成,当时闸室高度大多5～10m,闸室长8～20m,上下游水头差4～8m,且大多为开敞式水闸。正由于上述原因,该规范明确申明:本规范适用范围为平原地区的大中型工程中1、2、3级水闸设计,山区和丘陵地区及平原地区4、5级水闸设计,参照执行。该规范还讲明,该规范重点适用于土基上的水闸设计。相应该规范规定的闸室结构计算方法,主要沿袭前苏联(CHNПН-16-76)水工建筑物地基设计规范,采用弹性地基梁法,计算闸室底板应力,采用傅作新弹性力学法,计祘闸墩应力。

1997年,经三年修编,颁布了《水闸设计规范》(SL265-2001),由于种种原因,该次规范修编工作对结构设计的有关计算方法,并未进行深入的研究、也未反映当时有限元逐步推广所带来的变化,原结构计算方法和规定未做较大的变动,但该规范却明确扩大了适用范围,在各章节中增加了山区、丘陵及岩石地基上水闸设计的规定,增加了闸室胸墙结构计算内容,这样在非土地基上的中低水头水闸设计中,难免出现一些问题(如下)。

1 基岩上水闸底板应力分析

《水闸设计规范》(SL265-2001)7.5.2条规定,对于开敞式岩基上的闸室底板应力分析可按基床系数法计算。湖北恩施金龙滩水电站5孔开敞式泄洪闸,宽72m,高 26m,长23m,上下游水头差 12m,5级建筑物,灰岩基础。接基床系数法计算需2m厚钢筋混凝土底板,三维有限元计算复核,表明原设计安全度较大,只需按构造配筋。施工中由于地方群众阻挠,基坑无法正常施工,为了安全渡汛,汛期前,抡浇0.8～1.4m厚钢筋混凝土底板,有人担心结构安全,结果在恶劣工况下运行一年多,结构安然,且未发现明显结构裂缝,这似乎说明水闸设计规范适用范围扩大到基岩后,相应的计算方法和计算参数可能存在不匹配之处。

2 开敞式弧形闸门闸墩应力分析

《水闸设计规范》(SL265-2001)7.5.6条规定,开敞式和胸墙与闸墩简支式弧形闸门闸墩应力分析,宜采用弹性力学方法。本条文说明称:弧形闸门闸墩受力条件比较复杂,不只是偏心受拉,而且还受扭,是一块一边固定三边自由的弹性矩形板,其应力状况宜采用弹性力学方法进行分析。

当前一些工程弧形闸门的闸墩应力,仍采用了傅作新-沈潜民的弹性力学应力计算法。该方法是1959年结合江苏二河闸设计,把中墩简化为中心受拉平板,把边墩简化为平面弯曲板,利用弹性力学原理推导的一种计算方法。该方法把推力除以中墩和边墩厚度,得出单位宽度闸墩推力,再把该推力分解为P、Q、力矩M三个应力分量,将闸墩分成若干个矩形格子,然后建立物理方程,以变位连续性求解各格子平均应力和方向。该方法只能计算高宽比为5︰8和 5︰10两种尺寸比例的中墩及边墩,P=100t,Q=100t,M=100t◦m 时的应力,其他比尺时按比例内插,其他荷载按比例放大。由于该方法只能考虑弧门推力作用,不能考虑中墩一侧关门一侧过水的工况,也不能考虑迎水面水压、墩侧面水压作用,更不能考虑承受水压力的胸墙作用,是一个受单纯弧门推力作用下的平面应力问题的弹性力学解,峡城闸墩计算结果:证明采用上述计算方法,配筋较大。

3 带胸墙闸室结构设计

《水闸设计规范》(SL265-2001)7.5.7条规定:对于与闸墩固支连接的胸墙式水闸,闸室结构应力可按弹性地基上的整体框架结构进行计算,同时还要求考虑温度应力的作用,条文说明中还要求:在施工期框架尚未形成前,此时可按弹性地基梁进行闸室底板应力分析,框架形成后,应按弹性地基上整体框架进行应力分析,底板最终应力为两阶段应力总和。

带胸墙式水闸是一个复杂的空间结构,(SL265-2001)规范把它简化为一些各自独立的几个平面框架,采用结构力学方法或弹性力学方法计算,本身就带来较大的误差,由于规范缺少相应计算公式和附表,较难执行,特别当岩基上的水闸高度、胸墙高度及上下水头差加大后,20～30m高的胸墙,实际成了嵌固在顺水流方向刚度很大闸墩上的一个承受巨大水荷载的深梁,整个闸室实际成为一个建于基岩上的颇为复杂的超静定的空间结构,再把它简化为一个单宽的弹性地基上的框架,其误差可能更大。

基于上述原因,考虑到现有弹性地基梁上部结构计算中许多不完善的因素,再加上温度影响较难考虑,在胸墙式水闸结构设计中,出现五花八门的计算方法,一些工程把胸墙视为两端固支的单宽梁,不计温度应力,与闸底板、闸墩分开计算;有的把底板简化为简支基础板,把闸墩简化为悬臂梁;有的考虑基岩并非土体,特别是因预应力闸墩计算的需要,已自发的用有限元法进行闸室结构设计。

表2 近期几个带胸墙水闸结构计算方法、成果及配筋

从表2可知:近期兴建的带胸墙水闸结构设计中,计算方法明显不同,计算结果和配筋有较大差异,有的工程超量配筋,拉锚系数高达3.68～4.91,有的水闸已出现一些结构性裂缝。

总之非土地基上的带胸墙的水闸、弧形闸门预应力闸墩、本身就是一个复杂的整体空间结构。随着水闸设计规范适用范围的扩大,随着闸室水头的加大,再采用结构力学和弹性力学方法计祘,可能会产生较大误差。

考虑到目前水闸有限元计祘中计祘参数选取及一些具体条件,建议在下阶段规范修编中,对现有各种计算方法进行对比分析,推荐经得起实践考验,技术合理,易于实施的计祘方法,并讲明适用条件,补充相应的附件,修编水闸设计规范。