浅谈高水头事故闸门轨道及钢衬砌设计

聂青雷

（1.水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克陶县水利局，新疆 阿克陶 845550）

1 考虑渗透水压力对轨道结构及钢衬砌作用的场合

随着我国经济的快速发展，国家基础建设能力也取得了突飞猛进的发展，一大批高坝大库拔地而起。随着坝高的不断突破，闸门挡水水头也不断提高，对水工金属结构的要求也越来越高。

高水头的闸门也比比皆是，按照操作水头高度及目前我国发展水平和认识水平[1]，大致可认为闸门在50 m～80 m的水头高度下可称为高水头闸门。此类闸门水道压力大、流速快，容易造成门槽气蚀破坏，尤其是平面闸门门槽破坏了水道原有的平顺性，更易造成门槽气蚀破坏[2]。根据水流通过门槽时的流场分布情况，确定门槽结构型式。通过门槽下游侧错距加圆弧过渡的型式使闸门门槽曲线尽可能地符合水流流畅的分布曲线。此法不但可以使水流更加平顺的通过门槽，减轻过闸水流对闸门的扰动，减小闸门的震动发生的概率和程度，而且可以减小门槽磨损和气蚀发生的程度。

另一方面在设计门槽时设计人员往往通过衬砌门槽及水道提高过流面的表面光洁度使得水道水流更加平顺，减小门槽及水道气蚀破坏的可能，从而达到延长轨道及水道使用年限的目的。由于上述设计考虑，设计人员往往对门槽及水道采取部分断面或者全断面的衬砌，这样衬砌的面积就大，这就带来了另一个问题，钢衬砌设计时自身强度和安装强度的设计荷载的组成怎么确定？

以往的设计中往往只考虑了自身安装运输的需要，并未对其承受的荷载组成进行深入研究。目前工程中少有针对渗透水压力对轨道结构及钢衬砌的影响提出相关设计要求的案例，工程实践中设计者往往只考虑门槽主轨、反轨在主受力方向上的结构强度的验算，而忽略了渗透水压力对预埋件的影响，这样一来会造成轨道结构及钢衬砌结构设计强度不够；另一方面如果不考虑渗透水压力的影响，轨道结构及钢衬砌安装时锚固强度的设计依据就不足，这样就有可能造成锚固力不足的情况发生，会给工程安全带来潜在的安全风险。因此笔者认为对高水头闸门应该充分考虑渗透水压力对埋件的影响，分析渗透水压力的大小和作用特点，为预埋件的设计和安装提供依据。

2 门槽轨道及钢衬砌渗透水压力的产生原因

1）混凝土是一种毛细结构，是由水、砂、石子，必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料按适当比例配合，经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人工石，混凝土浇筑完之后混凝土养护过程中会产生毛细孔，同时在浇筑过程中如振捣不密会形成孔隙。

2）混凝土浇筑的一期、二期结合面如凿毛和振捣工艺不达标，也会形成缝隙，形成透水通道。

3）轨道结构及钢衬砌与混凝土浇筑在一期，材料不同，混凝土在硬化过程中会干缩，在结合面上形成缝隙，形成透水通道。

以上三种情况均会形成渗水通道，库水顺着这些通道到达预埋件于闸井混凝土之间的空隙并充满后，理论上空隙和水库就形成连通器，此时空隙内的压力是库水压力，钢板是不透水材料，充满空隙的水又无法排除就会作用在钢板上形成渗透压力。因此设计人员应充分分析埋件承受的渗透水压力的大小及作用特点，为轨道及钢衬砌结构设计和安装锚固提供依据。

3 不同止水方向的闸门轨道结构及钢衬砌的渗透水压力

上游止水的平面事故闸门处于全关状态时，闸门门叶水封沿着底轨、反轨及上游门楣形成一道封水线，将库水挡在门槽上游面，门后处于干燥的无水状况。主轨受力分析：因门槽处于无水状态，主轨在门槽下游侧也处于无水状态，受大气压作用，主轨受闸门门叶挡水压力，通过闸门门叶支承传递给主轨，理论上主轨不承受渗透水压力，设计时考虑门叶传递的荷载。反轨受力分析：因门槽处于无水状态，反轨在门槽上游侧也处于无水状态，反轨受闸门门叶止水预压产生的与压力作用（量级小），另外反轨上游侧受库水压力，下游侧是大气压，所以应考虑反轨承受相当于库水水头的渗透水压力。门楣受力分析：门楣的受力情况与反轨相同。

下游止水的平面事故闸门处于全关状态时，闸门门叶水封沿着底轨、主轨及下游门楣形成一道封水线，将库水挡在门槽下游面，门槽处于被库水充满状况。主轨受力分析：因门槽充满库水状态，主轨在门槽下游侧侧水封以外侧护板处于无水状态，主轨受闸门门叶挡水压力，通过闸门门叶支承传递给主轨，同时承受渗透水压力。反轨受力分析：因门槽充满库水状态，反轨在门槽上游侧处于充满库水状态，反轨承受库水压力，但是压向混凝土方向的，不影响结构安全，设计满足构造和自身运输安装要求即可。门楣受力分析：门楣在顶水封以下（一般只有100 mm）处于无水状态，承受渗透水压力。门楣在顶水封以上部分受力情况与反轨受力情况相同。

4 如何减小轨道及钢衬砌所承受的渗透水压

1）渗透水压力产生的三个主要原因均是有渗透通道，解决的办法是堵住渗透通道。通过提高混凝土的浇筑质量，加强振捣，从而减小混凝土的空隙。

2）在一期混凝土和二期混凝土接合面增设止水，严把一二期接合面凿毛质量关，提高一二期混凝土的结合效果。另二期混凝土应选择合理的级配，降低孔隙率，从而达到堵水目的。

3）轨道及钢衬砌安装过程要固定可靠，不能跑模，浇筑完成待混凝土干缩后及时检查钢衬砌和混凝土的结合质量，提高检查比例，对有浇筑不密实的部位及时灌浆处置。对钢衬砌在设计时就预留适当数目的灌浆孔，便于后期灌浆。

5 轨道及钢衬砌结构及安装锚固设计荷载的选择

应明确门槽轨道及钢衬砌结构设计应考虑渗透水压力的作用。根据闸门止水方向不同分析主轨、反轨、门楣、钢衬砌所受的渗透水压力，依次确定闸门主轨、反轨、门楣及钢衬砌受力工况组合，其中在强度设计方面，轨道及钢衬砌承受渗透水头的选择应遵循偏安全的原则，宜选用库水水头。

确定设计荷载后应选合适的锚固方式，目前常用的是采用搭接筋将一期混凝土预埋插筋或预埋板和轨道及钢衬砌焊接在一起，然后通过二期混凝土的浇筑，将轨道及钢衬砌和一期混凝土连接为整体。搭接钢筋在焊接时可采用单面焊接，也可采用双面焊接，但搭接钢筋在搭接的过程中应该遵循等强度搭接的原则，从而充分发挥搭接钢筋、预埋钢筋或者预埋板的锚固力，达到设计锚固要求。一期插筋或者预埋板的布置应相对均匀，一方面是传力均匀，设计时轨道和钢衬砌能节省材料，另一方面搭接均匀也能方便二期混凝土的浇筑和振捣，从而提高浇筑效率和浇筑质量。在此过程中一期预埋插筋或者预埋钢板材质、布置间距、锚固力的选择都应结合轨道、钢衬砌、二期混凝土在渗透水压的作用下的荷载工况组合来确定。

6 结语

据以往的工程设计实践中认识到高水头事故闸门门槽轨道及钢衬砌可能受到渗透水压力的作用，并分析不同止水方向的闸门轨道及钢衬砌所承受的渗透水压力的产生的原因、作用型式和作用特点；根据渗透水压力产生的原因提出了减小渗透压力的方法，并对门槽轨道及钢衬砌结构设计和安装锚固设计荷载为什么要考虑渗透水压力进行了阐述。以上对高水头事故闸门门槽轨道及钢衬砌强度设计和安装锚固设计思路的一点思考，希望能给同行设计闸门埋件时提供一点借鉴，如有不到之处敬请原谅。