重点输水工程取水口闸门临时下闸安全评价

乔国龙

（辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁 沈阳 110000）

1 概况

辽宁省重点输水工程取水口位于HR水库库区，由取水口构筑物、地下消能电站、无压隧洞组成。水库校核洪水位309.1 m，取水口处高程为285.0 m，取水口基坑开挖采用预留岩坎加围堰挡水的施工方案。设计结构为单列双层布置取水，下层取水口底高程258.2 m，上层取水口底高程271.0 m，取水孔口尺寸均为6.0 m×7.0 m。每个取水口均设有工作闸门，工作闸门下游设有挡水胸墙。取水口后接有2条长为156.7 m的圆形压力隧洞，成洞洞径为4.5 m，隧洞起点底板高程258.2 m。每条压力隧洞进口各布置有1孔事故检修闸门，检修闸门孔口尺寸为4.5 m×6.75 m（宽×高）。

取水口金属结构：HR取水首部进口设置1孔拦污栅，然后依次设置为可分2层取水的取水工作闸门。取水工作闸门设置于拦污栅槽后，采用分层取水方式，共分二层。工作闸门动水启闭，不调节流量，闸门关闭时利用水柱闭门。进口拦污栅和分层取水工作闸门共用一台2×1 250 kN台车式启闭机分别配合钩环式、液压穿销式自动抓梁启闭。台车轨道中心距10.5 m。台车上游侧下部悬挂1套抓斗式自动清污设备，用以清除拦污栅上的污物。

分层取水闸门后为进口消能电站引水管道，分别布置了1孔电站进水管事故闸门门槽和1孔电站旁通管事故检修闸门门槽。每扇事故闸门利用1台2×630 kN固定卷扬机启闭，操作条件为动闭静启，利用闸门上的充水阀充水平压。闸门操作条件为静水启闭。

取水口竖井混凝土浇筑已于2014年10月浇筑完毕，至事故闸门落闸时竖井混凝土强度已达设计强度。

2 事件由来

按照节点工期要求，工程应在2015年10月1日前具备通水条件，进口围堰拆除工作须在2014年11月前进行。当时库区水位为▽289 m，围堰顶高程为▽307.6 m。考虑几方面原因：一是为减少围堰水下拆除工程量、及早完成围堰瘦身及水面以上堰体拆除工作；二是此时取水口部分建筑物、地下电站及下游隧洞等主体工程也正在同时施工；三是围堰拆除施工过程中采用液压破碎锤、爆破等方式，对围堰原有防渗体系可能造成破坏，进而发生渗漏水甚至涌水，威胁下游主体工程施工安全。故为了防止可能造成的工程损失，确保工程安全，经参建各方研究决定，在取水口工作闸门未进场的前提下，进水口事故闸门进行应急性临时落闸工作。

3 综合评价

3.1 事故闸门门体计算

依据规范SL74-2013《水工钢闸门设计规范》，闸门设计水位309.1 m，闸门底坎高程258.2 m，孔口尺寸4.5 m×6.75 m（宽×高）；事故检修闸门操作条件为动水关闭，静水启升，平压方式采用充水阀。

闸门水封4.72 m×6.9 m（宽×高），动水系数采用1.1，经计算总水压力为1 739.3 t。

考虑面板的局部弯应力与面板兼作主（次）梁翼缘的整体弯应力相叠加后的折算应力，经计算得知 σzh=2 504＜1.1α[σ]=3 542 kg/cm2；启闭机为113.82 t，小于设计采用的固定卷扬启闭力160 t。

故在取水口校核洪水位309.1 m时，闸门自身结构满足强度要求。

3.2 事故闸门闸墩结构计算

根据工程实际，采用龙门吊对事故闸门进行临时落闸，在整个围堰水下拆除的过程中均采用事故闸门进行挡水，且取水首部后面的压力引水洞衬砌大部分还未施做，不能对事故闸门闸墩提供足够的支撑；故需对事故闸门的闸墩进行结构计算分析其在挡水过程中的稳定问题。由于两侧边墩均有围岩支撑，故只对中墩进行稳定分析。

该次计算分别采用结构力学和材料力学、有限元方法对东湖电站取水头部闸门中墩进行分析计算，采用设计水位时最不利检修工况下的荷载组合对中墩闸门槽进行受力分析，以期验算闸门槽在既定设计条件下的力学性能以及稳定性。

首先对结构进行适当简化，力学模型选取范围为底板高程258.2 m以上6.75 m范围。根据实际情况，模型底部为底板固端约束，上部结构固端约束，简化模型见图1。

3.2.1 结构力学和材料力学方法

按取水头部最高水位309.1 m考虑，中墩主要承受由闸门滚轮传递的水压力。闸门中心高程261.6 m，闸门面积32.57 m2，每扇闸门共有10个滚轮承担传递荷载的任务，则传递到每个滚轮荷载约为1 527.1 kN，据受力示意图可知，中墩两侧共受10个滚轮传递的荷载。

根据材料力学方法，可知Iz=50.7 m4,根据附图所示梁的弯矩图可利用公式：

式中：跨端弯矩 M=9 627 kN·m，应力 σ=188 kN/m2；跨中最大弯矩 M=5 147.6 kN·m，应力σ=100.5 kN/m2。两者均小于C35混凝土轴心抗拉强度设计值 ft=1.57 N/mm2=1 570 kN/m2。按最小配筋率0.2%需配置受力钢筋。

3.2.2 有限元方法

根据闸墩结构建立有限元模型，X向为逆水流向，Z向为竖直向上，Y向为顺水流向右侧。

图1 取水头部闸门中墩简化模型（单位：mm）

对有限元模型进行受力分析，分别形成X向应力云图、Y向应力云图和Z向应力云图，图中“负”值为压应力区域，“正”值为拉应力区，数值单位为Pa。从应力结果中可以看出，中墩以压应力为主，拉应力区很小，拉应力区主要集中在中墩门槽下游侧角部范围，且收敛很快。拉应力最大值为0.199 MPa，压应力最大值为1.35 MPa，均小于设计混凝土抗拉、抗压强度，说明中墩在最不利工况荷载组合下处于安全运行状态。

配筋设置考虑到工程为Ⅰ等规模的Ⅰ级建筑物，设计使用期限为100年，该次计算采用极限应力计算钢筋面积法，即假如最大受拉应力全部由钢筋承担而混凝土不承担受拉作用，σ≤Kfy·As，其中，

fy为钢筋抗拉强度设计值300 MPa，σ=0.199 MPa，K=1.35，则：As≥Kσ/fy=895 mm2。根据计算结果需要按最小配筋率进行构造配筋。

建议实际配筋量应比按有限元计算结果及构造配筋量要大，原因在于门槽处受力复杂，计算时假定的荷载通过二期混凝土均匀传递到一期混凝土上不一定是实际受力情形；另外从门槽受力安全角度出发，在门槽范围内适当增大钢筋用量是很有限的，但对于保证工程的安全稳定性是至关重要的。

4 评价结论

1）工程取水口事故闸门的总体布置、设备选型及有关技术参数的选择基本合理，闸门门体及启闭能力符合现行技术规程和规范的要求，闸门可以在取水口校核洪水位309.09 m工作。

2）工程取水口闸墩混凝土在水库水位为309.09 m时均能满足结构安全的需要。