老挝东萨宏水电站进水口混凝土叠梁门的设计与施工

杜静侠，方 超

（中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 611830）

1 引言

老挝东萨宏水电站位于老挝南部占巴塞省，距离上游巴色市约160 km，距离老挝首都万象约832 km，距离柬埔寨首都金边450 km。工程采用无坝明渠引水结构，引水明渠长5 km，水头约25 m。电站装设4台贯流式机组，单机引水流量400 m3/s，总装机260 MW(4×65 MW)，该电站采用的贯流式机组的单机容量目前为亚洲第一，世界第二，电站年平均发电量约21亿kW·h。

2 混凝土叠梁门方案研究

本工程4台机组进水口仅设置1套共用检修叠梁门，要实现首台机组发电，另外3台机组均需具备发电调试条件。而工地现场实际进度是3号、4号机组尚不具备发电调试条件，故调整施工方案，对3号、4号机组进水口及尾水采取临时封堵挡水，确保首台机组如期发电。为此，必须增加1套临时性的进水口叠梁门（3号机组进水口采用永久钢结构叠梁门封堵，4号机组进水口需增加1套叠梁门封堵，尾水闸门全部安装完毕）。针对该情况，提出了2种方案：

（1）重新采购1套钢结构叠梁门。优点是技术方案可靠成熟，国内有成熟的制造厂家（永久叠梁门原厂）。缺点是从合同签订到产品交货至现场最快需要半年，工期上无法满足要求。同时，依据第一次采购价费用近90万美元，成本较高。

（2）现场制作混凝土叠梁门。优点是所需原材料（钢筋，混凝土等）、人员、设备现场具备，制作工期、质量、成本可控。缺点是，工程实例不多，无成熟设计方案，设计考虑因素复杂，有一定风险。

通过方案综合比较，最终确定采用混凝土叠梁门方案。

3 混凝土叠梁门设计

3.1 混凝土叠梁门设计参数选定

设计基本参数数据：设计洪水位高程为EL75.9 m (P=0.1%)，进水口叠梁门底槛高程为EL33.7 m，闸门槽孔口尺寸为15.36 m×17.77 m（宽×高），顶部门楣下缘到底槛的高度为h=17.767 m，闸门孔口净宽15.36 m，门槽净宽1.24 m。设计的永久钢结构叠梁门门叶宽度为16.69 m，闸门槽总宽度为16.90 m，门叶与门槽两端的间隙为0.105 m，设计支撑跨度为16.06 m。钢叠梁门设计总高度为17.98 m，6扇叠为一体(5×3+2.98=17.98 m)，单叶最大重量60 t。

根据钢叠梁门的结构型式、吊点位置及单叶重量情况，混凝土叠梁门设计采用类似结构布置，尽量保证与进水口门机吊装相匹配。混凝土叠梁门设计长度为16.40 m，与门槽两端间隙距离分别为0.25 m，沿水深方向梁宽设计高度为1 m，沿水流方向梁高设计为2 m。叠梁门两个端头为矩形断面(宽×高=1 m×1 m），跨中为工字形断面(宽×高=1 m×2 m），以减小叠梁门的自重，单叶重量控制在60 t以内。单根叠梁门（变截面梁）的尺寸为：长×宽×高=16.4 m×1 m×2 m(1 m)。因闸门孔净高17.77 m，叠梁门设计总高度按18 m考虑，超高0.23 m。

叠梁门选用C40混凝土，混凝土弯曲抗压强度设计值fcm为19.0 MPa，梁有效高度为188 cm，混凝土轴心抗压强度设计值为16.7 MPa；Ⅲ级钢筋抗拉强度设计值为360 MPa、I级钢筋抗拉强度设计值为210 MPa，结构系数取1.2；叠梁门按一级建筑设计，其重要性系数ψ取1.1。

3.2 混凝土叠梁门受力计算

（1）水压力

将叠梁门分成上、中、下三部分各六块进行水压力计算：水深分别为h1、h2、h3=30.2 m、36.2 m、42.2 m。计算水压力分别为：q1=ρgh1=10×30.2=302 kN/m2；q2=ρgh2= 362 kN/m2；q3=ρgh3= 422 kN/m2。

（2）梁计算跨度L0

取计算的小值作为结构受力的跨度计算值，即L0=15.75 m。

（3） 梁受力计算

叠梁门的受力分析简图见图1：

图1 叠梁门工作受力计算简图

1）弯矩M计算

其公式为：M=ψql2/8

注：ψ—为重要系数，取值1.1；q—为梁上所受均布荷载；l—为梁的计算跨度。

2）剪力ν计算

其公式为：ν=ψql/2

3.3 叠梁门配筋计算

3.3.1 6根梁配筋计算

公式：as=γdM/(fcmbh02)

注：γd——结构系数，取值1.2，M—为弯矩，fcm―为砼弯曲抗压强度设计值，b—为梁宽，h0—为梁的有效高度。

注：ζ—相对受压区高度，as—截面抵抗矩系数

Ⅲ级钢筋计算面积如下：

选配25根Φ32钢筋及1根Φ20钢筋，实配面积As实=25×π×162+π×102=20 420.4 mm2＞As

同理，中部6根梁配筋计算结果：选配31根Φ32钢筋及1根Φ16钢筋。

下部6根梁配筋计算结果：选配37根Φ32钢筋及1根Φ20钢筋。

3.3.2 受压区配筋计算

根据GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》规定梁的最小配筋率0.2%，受压区面积为1 m2，配筋率≥0.2%×1 m2= 2 000 mm2，拟取值As=2 200 mm2。

选配7根Φ20钢筋，实配面积As实=7×π×102=7×314.16=2 200 mm2=As

3.3.3 斜截面配筋计算

（1）两端截面箍筋计算(宽×高=1 m×1 m)，钢筋按Ⅲ级钢计算。

1）箍筋计算

ν=2 616.1{3 135.8；3 655.6}kN≥0.07fcmbh0=0.07×19×1 000×900/1 000=1 197 kN

由于截面尺寸(宽×高=1 m×1 m)不能满足抗剪要求，需进行设计箍筋配置。

箍筋选用Φ14按15 cm(跨中按20 cm)布置，每 个断面5个箍筋，则每米长度内箍筋的面积为Asv=5×6.67×2×π×72=10 314 mm2≥5 395{7 108；8 811}mm2

Psv＞ρsvmin满足配筋要求，因此梁中间段截面全按Φ14@200 mm进行箍筋布置。

2）弯起钢筋校核

剪跨比为λ=L0/h0=15.75/1.88=8.38，h0/b=1.88/1 = 1.88

0.25fcbh0=0.25×19×1 000×1 880=8 930 000 N =8 930 kN＞ν，截面满足要求。

是否需配置弯起钢筋校核：

γdV=1.2V=1.2×2 616.1(3 135.8，3 655.6) =3 139.3(3 763，4 386.7)kN＞νcs，应 配 抗 剪 弯 起钢筋。

采用Φ32做弯起钢筋，单根Φ32面积为804.25 mm2，上、中、下三部分叠梁门弯起钢筋布置：6根、9根、12根，即能满足抗剪要求。弯起钢筋的面积为As实=4 825.5 mm2、7 238.3 mm2、9 651 mm2。

弯起钢筋配筋的起点离支座边缘距离为：0.195+1-0.05-0.05=1.095 m

该截面的剪力设计值为：2 616.1(3 135.8，3 655.6) ×6.7/7.8=2 247.2(2 693.6，3140.1)kN

＞νcs/γd=2 025.5/1.2=1 687.92 kN，因此需要配第二排弯起钢筋。

第二排采用Φ32弯起钢筋，上、中、下三部分叠梁门弯起钢筋布置：4根、6根、12根，即能满足抗剪要求。第二排弯起筋的起点离支座边缘距离为：0.195+1-0.05-0.05+1.13-0.1=2.225 m。

该截面的剪力设计值为：1 868.2(2 210.9，2 867.8)kN ＞νcs/γd=1 687.92 kN，需要配第三排弯起筋。

第三排采用Φ32弯起钢筋，上、中、下三部分叠梁门弯起钢筋布置：2根、4根、7根，即能满足抗剪要求。第三排弯起筋的起点离支座距离为：0.195+1-0.05-0.05+1.13-0.1+1.78-0.1=3.905 m。

该截面的剪力设计值为：2 616.1(3 135.8，3 655.6) ×3.89/7.8=1 304.7(1 544.1 , 2 002.9)kN

νcs/γd=2 025.5/1.2=1 687.92 kN，因此只需下部6根叠梁需配第四排弯起钢筋。

Asv=(γdV-νcs)/fysin45°=(2 002.9×1.2-2 025.5)/ (360×sin45)×103=1 485.1 mm2

下部6根叠梁门的第四排弯起钢筋采用Φ32，弯起钢筋2根，满足抗剪要求。As实=1 608.5 mm2。

（2）支座两端及渐变段截面箍筋计算(宽×高=1 m×1 m)

3.3.4 吊装配筋设计

（1）吊点确定

混凝土叠梁门吊点位置参照永久钢闸门设计吊点，吊点顺水流方向根据混凝土叠梁断面的惯性中心计算确定重心位置。安装吊点位置设在叠梁腹板的加筋肋板上，与永久钢闸门的设计吊点对应，以减少坝顶双向门机安装时吊具纵向位置调整工作量，吊点位置距叠梁两端距离3.03 m。见图2：

图2 混凝土叠梁体型图

（2）梁下部钢筋配筋计算

主要计算梁配筋是否满足起吊梁自重产生的内力要求。

1）受力分析

按两端悬臂简支梁进行计算，梁荷载主要为自重G。

叠梁外轮廓面积S=28.865 m2，每根叠梁的外轮廓的总体积V0=28.865 m3。上下游两侧共8个标准凹槽体积为V1=4.677 6 m3。两端异形断面凹槽部位体积V2=0.85 m3。钢筋混凝土密度按ρ=2 kN/m3考虑。单根叠梁体积V=V0-V1-V2=23.337 m3。

G=25×23.337=583.425 kN＜60 t。满足启闭机吊重要求。计算时按吊重60 t进行配筋计算。

混凝土叠梁起吊计算受力见图3：

图3 混凝土叠梁起吊计算受力简图

2）配筋计算 (起吊时梁断面 宽×高=2 m×1 m)

实配2根Φ28，As实=2×615.75=1 231.5 mm2＞As=1 009.75 mm2，满足要求。

3.4 进水口混凝土叠梁门吊点重心计算

（1）根据叠梁对称性，只计算顺水流方向叠梁重心到下游背水面距离，假设距离为x。按力矩平衡原则计算确定未知变量x值。

计算重心线下游侧力矩Ma，计算重心线上游侧力矩Mb，计算配筋产生的力矩Mc，根据力矩平衡原则Ma+Mc=Mb，解得：x=0.85 m

（2）吊点结构设计：由于混凝土叠梁拆除时上游最大水深达42 m，若采用潜水员水下作业系钢丝绳挂钩进行吊装拆除，安全危险性大，拆除费用高。因此对叠梁的吊点进行了专门设计，采用与钢结构叠梁门同样的预埋对中套管，便于进水口双向门机自动穿销吊装。

3.5 压力试验检测

为检测混凝土叠梁的配筋设计是否满足在进水口叠梁封堵状态下承受的水压力，现场预制1根混凝土叠梁，在承受相当于实际水压力状下进行模拟试验，检测在试验压力作用下叠梁的变形情况。

最大水压力在跨中产生的弯矩：M3=ψql2/8 =1.1×422×15.752/8=1 4393.83 kN/m；相当于跨中集中荷载F=4M3/L=3 655.6 kN。

采用液压千斤顶对迎水面的叠梁进行施压，分段进行加压测试，观测并记录叠梁受力变形情况。

选择1台液压电动油泵，电动油泵与顶升千斤顶通过油管并联，油泵以输出压力为控制参数，当测试压力达到设计压力值时保持压力不变进行观测记录。

3.6 进水口混凝土叠梁门止水设计

进水口叠梁门止水设计采用2种布置型式：

（1）在混凝土叠梁背水面两端与门槽导轨接触部位嵌入止水密封条，主要靠水压力作用压缩密封条进行止水。预制过程中在混凝土叠梁两端预埋钢板及螺栓，安装止水前将预埋件表面污物清理干净，并进行除锈防腐，安装密封条必须均匀压紧。

（2）止水条布置在上下两层叠梁之间，主要靠叠梁自重压缩密封条进行止水。预埋件施工及密封条安装类似于叠梁两端止水施工工艺。

特别注意的是，最底层的叠梁的止水需在叠梁的上下两面都安装密封条，防止叠梁最底部与进水口底板之间渗漏水。安装叠梁门时，在叠梁两端与门槽之间的空腔里回填高塑性粘土，塑性粘土迎水面采用两布一膜(即两层土工布夹一层土工膜)进行防水，从而增加渗径长度，减少因叠梁安装误差的渗水量。塑性粘土的回填随着叠梁的安装逐层填筑，压实度不低于95%。

4 实施措施

4.1 现场制造措施

场地准备：18根叠梁分成6组，每组3根，叠梁尺寸16.52 m×1 m×2 m，需制作场地25 m×60 m =1 500 m2，对场地进行压实，初步找平，并进行压实度测量。

叠梁预制：在预制位置间隔500 mm布置相应数量的工字钢，调平，确保整体水平偏差在5 mm范围内，在工字钢上铺底层模板，模板上绑扎钢筋。3根叠梁一组，准备3套模板，同时绑扎钢筋，浇筑混凝土，需要18 d，6组（18根）叠梁共需108 d，每根叠梁养护28 d，确保强度。共计136 d，即可使用。

4.2 安装吊装措施

由于单根叠梁全长达16.52 m，重量近达60 t，采用130 t汽车吊及18 m液压板车进行装车运输，同时对道路进行检查修整，要求上坝道路坡度不大于5%，转弯半径（内径）不小于20 m，且道路宽度不小于6.5 m。叠梁运输至坝顶后，由坝顶双向门机（2×80 t）吊装就位。

4.3 拆除运输措施

由于单根叠梁全长达16.52 m，重量近达60 t，为保证封堵门拆除后运输安全，需对叠梁破解后装运撤离现场。破解时采用液压锤将叠梁均匀分成4段捣断，煤气割枪将钢筋熔断后分块装车运到指定卸料场堆存处理。同时要防止混凝土块掉落入进水口里，施工中采用钢板垫在叠梁底部，每破解拆完运走1根叠梁后，及时将钢垫板上留下的混凝土碎块清理干净。

5 技术经济比较

混凝土临时叠梁门与钢结构叠梁门的施工技术比较如下：

优点：①混凝土结构材料成本低，材料费远低于钢结构。②混凝土结构施工成本低，现场施工容易，可在制作场地浇筑；钢制叠梁门需要专业制作厂，且需要跨国运输，成本高昂。③混凝土叠梁运输成本低，拆除简单易行，可以现场分解后分段运输，就地处理。

难点：①混凝土叠梁的止水安装及密封比钢结构困难，施工时要求更加精细与认真。②拆除时在分解叠梁时避免碎块掉入进水口底部，影响机组运行安全。在破碎时需对进水口孔口遮盖。

经过经济比较分析，混凝土叠梁门方案约花费人民币3 060 935元，增加1套钢结构叠梁门将花费人民币6 418 688元。采用预制混凝土叠梁门方法具有明显的经济效果，比钢结构叠梁门可节约人民币3 357 753元。

6 结语

通过本工程的实际实施，证明采用混凝土叠梁门方案可行。技术上很好的解决了老挝东萨宏项目面临的工期难题，实现了项目的完美履约；经济上效果明显，相对于常规赶工、抢工带来的额外成本投入大幅降低，得到业主方的高度认可。同时此方案也创新性地把金结闸门与土建混凝土闸门做了一个技术上的连接，为后续的其他类似工程提供了一个全新的解决思路。