北引渠首泄洪闸弧形闸门支座设计
2012-10-24许春波
许春波，邵 俊
(1. 黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080;2. 德阳市水务局，四川 德阳618000)
1 工程概况
北引渠首泄洪闸位于嫩江主河床枢纽桩号2 +473.5 ～2+697 处，泄洪闸设计泄流量4 629 m3/s，相应闸上水位179.04 m，闸下游水位178.87 m; 泄洪闸校核泄流量5 156 m3/s，相应闸上水位179.73 m，闸下水位179.54 m。泄洪闸位于主河槽上，最大过闸流量＞5 000 m3/s，对枢纽安全起主要控制作用，按最大过闸流量确定为1 级建筑物，按50 a一遇洪水设计，200 a一遇洪水校核。
渠首泄洪闸为平底板开敞式闸，闸室段采用钢筋混凝土“U”型槽结构，长22.5 m，共12 孔，每孔净宽16 m，总净宽192 m，泄洪闸纵轴线与水流方向一致以保证泄流平顺。堰型采用宽顶堰，闸底高程平河底高程为169.0 m，墩顶高程181.80 m，泄洪闸设弧形工作闸门12 孔，用液压启闭机启闭。工作门前设一道检修门，共设2 扇检修闸门，用单向门式启闭机启闭。
弧形工作闸门基本参数:选用长×宽为16 m×7.7 m，水头7.2 m 弧形闸门12 孔。闸门底坎高程169.00 m，支铰高程176.70 m。闸门采双主横梁斜支臂球型铰结构，弧门半径R为10.5 m，正常挡水高度H 为7.2 m，风浪超高a 为0.5 m。闸门面板厚δ 为10 mm，主梁梁高h0为1 400 mm，支臂梁高hi为600 mm，刚度比K 为5.047。闸门启门力FQ为2 120 kN，闭门力Fw为－308kN，能靠自重闭门。启闭机采用QHLY2 ×1250kN 液压弧门启闭机。闸室段结构图见图1
图1 闸室段结构图
2 渠首泄洪闸弧门支座设计
2.1 基础资料
混凝土强度标准见表1。
表1 混凝土强度标准值表 N/mm2
表2 混凝土强度设计值表 N/mm2
2.2 计算闸墩一侧弧门支座推力值FK
计算工况为闸门关闭时引水水位为176.20 m时: 孔口宽度B 为16 m，底砍高程为169 m，弧门半径R 为10.5 m，
计算数据如下:
浪压力= 766.9 kN
静水压力:水平静水压力=4147.2 kN，垂直静水压力=2594.7 kN
浪压力与静水压力总合计即为闸墩弧门支座推力值=5 557.0 kN，则闸墩一侧弧门支座推力值FK=2 779 kN，与水平方向的夹角α =31.1°。
2.3 弧门支座参数
初拟弧门支座尺寸，具体数据见表3。
表3 弧门支座基本参数表
根据不同的混凝土强度等级、弧门支座宽度b 和缝墩厚度B，初拟9个方案进行比选，各个方案见表4。
表4 弧门支座方案表 m
2.4 弧形支座附近闸墩的局部受拉区的裂缝控制
应满足下列公式要求:
1) 闸墩受两侧弧门支座推力作用时:
2) 闸墩受一侧弧门支座推力作用时:
式中: FK为按荷载标准值计算的闸墩一侧弧门支座推力值，N; b 为弧门支座宽度，mm; B 为闸墩厚度，mm; eo为弧门支座推力对闸墩厚度中心线的偏心距，mm; ftk 为混凝土轴心抗拉强度标准值，N/mm2;不能满足上式要求时，应加大弧门支座宽度或提高混凝土强度等级。计算结果见表5。
表5 弧门支座附近闸墩的局部受拉区得裂缝控制计算表
2.5 闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋的计算
闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积应满足下列公式要求:
1) 闸墩受两侧弧门支座推力作用时:
2) 闸墩受一侧弧门支座推力作用时:
式中: K 为承载力安全系数，泄洪闸为1 级建筑物，查表为1.35; F 为闸墩一侧弧门支座推力的设计值，N; Asi 为闸墩一侧局部受拉范围内的第i 根局部受拉钢筋的截面面积，mm2;fy 为局部受拉钢筋的抗拉强度设计值，N/mm2; B'0为受拉边局部受拉钢筋中心至闸墩另一边的距离( mm) ; αs为局部受拉钢筋合力点至截面近边缘的距离; θ 为第i 根局部受拉钢筋与弧门推力方向的夹角。闸墩局部受拉钢筋宜优先考虑扇形配筋方式，扇形钢筋与弧门推力方向的夹角≤30°，扇形钢筋应通过支座高度中点截面上的2 b 有效范围内，b 为弧门支座宽度。
闸墩局部受拉钢筋从弧门支座支承面( 截面1—1) 算起的延伸长度，≥2.5 h( h 为支座高度) 。局部受拉钢筋宜长短相间地截断。闸墩局部受拉钢筋的另一端应伸过支座高度中点截面( 截面2—2) ，并且至少有一半钢筋应伸至支座底面( 截面3—3) ，并应采取可靠的锚固措施，详见图2
当弧门支座距离闸墩顶部距离较小时，在闸墩顶部宜配置一至二层水平限裂钢筋网，钢筋直径可取16 ～25 mm;间距可取150 ～200 mm。计算结果见表6。
表6 闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋的计算
2.6 弧门支座的剪跨比
弧门支座的剪跨比a/h0宜＜0.3( a 为弧门推力作用点至闸墩边缘的距离) ，其截面尺寸应符合下列要求:
1) 弧门支座的裂缝控制要求;
2) 支座的外边缘高度h1≥h /3。
3) 在弧门支座推力标准值Fk作用下，支座支撑面上的局部受拉应力≤0.75 fc，否则应采取加大受压面积、提高混凝土强度等级或设置钢筋网等有效措施。计算结果见表7。
表7 弧门支座尺寸应符合的要求
2.7 弧门支座的纵向受力钢筋截面面积计算
弧门支座的纵向受力钢筋截面面积按下列公式计算:
式中: As为受力钢筋的总截面面积，mm2; α 为弧门支座推力作用点至闸墩边缘的距离，mm; fy 为受力钢筋的抗拉强度设计值，N/mm2。
承受弧门支座推力所需的受力钢筋的配筋率≥0.2%。中墩支座内的受力钢筋宜贯穿中墩厚度，并应沿弧门支座下弯深入墩内≥15 d( 见图3) ，在此，d 为受力钢筋直径。边墩支座内的受力钢筋应伸过边墩中心线后在延伸一个锚固长度la，另一端伸入墩内的长度≥15 d。计算结果见表8。
图3 中墩弧门支座截面构造图
2.8 弧门支座箍筋的设置
弧门支座应设置箍筋，箍筋直径应≥12 mm，间距可为150 ～250 mm，且在支座顶部2 h0/3 范围内的水平箍筋总截面面积不应小于受力钢筋截面面积的50%。对于承受大推力的弧门支座，宜在垂直于水平箍筋的方向布置适当的垂直箍筋。计算结果见表9。
表8 弧门支座的纵向受力钢筋配筋计算
表9 弧门支座水平箍筋配筋计算表
根据结构及配筋计算结果，泄洪闸弧门支座方案工程量及投资见表10。
表10 北引渠首泄洪闸弧门支座方案工程量及投资表
根据表10 分析可知，以工程量投资角度方案2、3、4 较优，由于泄洪闸闸室底板及闸墩混凝土选用的强度等级为C 20，为了避免水化热过大引起混凝土开裂的危害，弧门支座及扇形筋附近混凝土的强度等级不宜与C 20 跨度太大，否则，容易出现裂缝，综合考虑各方面因素，最终选定方案二。
3 结 语
1) 弧门支座是一个短悬臂构件，起着将荷载传递给闸墩的作用，其可靠性关乎整个溢流建筑物的安全，应给予足够重视。
2) 弧门支座的设计不仅要保证支座及闸墩本身的强度，还要保证两者的连接强度。
3) 过弧门支座结构及配筋计算，经过分析、论证和比较后，确定合理方案和设计成果。使之所提出的成果达到安全可靠、经济、合理。
［1］水利部水利水电规划设计总院. L191—2008 水工混凝土结构设计规范［S］. 北京:中国水利水电出版社，2008.
［2］黑龙江省水利水电勘测设计研究院. 尼尔基水利枢纽配套项目黑龙江省引嫩扩建骨干一期工程可行性研究报告［R］. 哈尔滨:黑龙江省水利水电勘测设计研究院，2010.
