孤山航电枢纽工程泄水闸孔与厂房共用边墙结构型式研究

肖浩波 熊顺锋 李国勇

摘要：为缩短孤山航电枢纽工程的坝轴线长度，减少坝肩边坡开挖高度，节省工程投资，提出了水电站厂房边墙与泄水闸弧形闸门边墩相结合的共用边墙结构型式，并对共用边墙结构的受力情况进行了三维有限元数值分析。结果表明：共用边墙新型结构优化了弧门支撑处的应力与变形状态，弧门推力和水压力对厂房边墙整体的应力、变形影响较小。经过水库正常蓄水和3个汛期泄洪的检验，电站厂房和泄水闸运行情况良好，验证了该结构的安全可靠性。研究成果可为同类工程设计提供参考。

关键词：共用边墙； 结构型式； 泄水闸边墩； 弧门牛腿； 孤山航电枢纽工程

中图法分类号：TV61

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.006

文章编号：1006-0081（2023）06-0032-04

0 引 言

平原丘陵地区河流洪峰流量大，水头落差小，在此类河流上修建的水利水电工程泄洪建筑物规模较大，通常需布置多孔泄水闸，如乌江银盘水电站［1］。在满足泄洪要求的前提下，一般采用河床式电站，同时布置船闸、鱼道等，建筑物种类多，布置较为紧凑，泄水闸与电站厂房相邻布置，以便电站进水口冲沙、排漂，如广西大藤峡水利枢纽［2-3］。为保证结构受力相对明确，通常情况下，泄水闸和电站厂房设计为两个相对独立的建筑物，泄水闸边墩和厂房边墙之间设置永久缝，两者各自承担弧门推力、水压力等荷载。广西长洲水利枢纽［4］、赣江井冈山航电枢纽［5］均采用此结构型式。红水河桥巩水电站［6］针对河道宽度有限、建筑物布置受限情况，取消泄水闸边墩和厂房边墙之间的永久缝，将两者结合从而减少闸墩厚度，工程的良好运行证明了其可行性。然而，桥巩水电站泄水闸工作门为平板门，不会出现弧形工作门的弧门支铰集中受力情况，对厂房边墙的应力、变形影响相对较小。本文以孤山航电枢纽工程为研究对象，提出右区泄水闸弧形工作门的边墩和电站厂房边墙相结合的结构型式，取消中间永久缝，减小了墩墙总厚度，从而达到缩短坝轴线长度的目的，并通过数值分析和实际运行情况验证了方案的可行性。

1 泄水闸与电站厂房布置

孤山航电枢纽工程泄洪建筑物采用18孔平底泄水闸，纵向围堰坝段将其分为左右两区［7］。左区7孔泄水闸，孔宽16 m，闸底高程157 m，采用平板工作闸门；右区11孔泄水闸位于右岸主河槽，孔宽15 m，闸底高程158.1 m，采用弧形工作闸门，右区泄水闸溢流前沿长度207 m。河床式电站厂房紧邻右区泄水闸布置，右侧为右岸非溢流坝段，电站厂房沿坝轴线总长122.3 m，从左至右依次为机组段（长85.8 m）、安装场段（长36.5 m），如图1所示。

2 泄水闸边墩与电站厂房边墙结构型式研究

2.1 常规布置型式

為缩短坝轴线长度，减少右坝肩边坡开挖高度，节省工程投资，在满足工程功能要求和保证建筑物结构安全的前提下，对右区泄水闸边墩和电站厂房边墙结构进行优化研究。在中国已建类似工程实例中，泄水闸边孔与电站厂房之间挡水结构通常采用如下几种布置型式。

（1） 具备布置空间时，常用泄水闸边墩与电站厂房边墙独立布置结构型式，边墩与边墙之间设置永久缝，泄水闸边墩承担弧门推力，厂房边墙承担下游侧向水压力，边墩和边墙总厚度较大，如汉江白河水电站［8］、金沙江金沙水电站［9］。

（2） 河道较宽，建筑物布置不受限制时，在泄水闸边墩与电站厂房之间布置厂闸导墙坝段，由泄水闸边墩承担弧门推力，厂闸导墙替电站厂房承担下游侧向水压力，3个建筑物彼此独立。采用这种布置型式的厂房边墙相对较薄，但为满足厂闸导墙坝段自身侧向稳定的要求，坝段宽度往往较大，如赣江井冈山航电枢纽工程［5］。

（3） 河道相对较窄，各建筑物布置较紧凑时，泄水闸设置相对较厚的边墩，通过泄水闸边墩替电站厂房承担下游侧向水压力。对于孔口跨中分缝的边墩，为满足边墩自身侧向稳定的要求，需增加边墩厚度，同时还需考虑联合受力措施，如乌江银盘水电站［1］，边墩采用宽槽并缝设计，与相邻坝段联合受力。

（4） 对于工作门为平板门的泄水闸，顺流向长度短，相对弧门支铰局部受力，门槽受力较分散，泄水闸边墩与厂房边墙结合布置，厚度与单独布置相比适当增加，以承担下游侧向水压力。典型案例为广西红水河桥巩水电站［6］。

部分河床式电站泄水闸边墩结构型式见表1。

2.2 共用边墙结构型式

孤山航电枢纽右区泄水闸边墩与电站厂房的布置条件与以上工程实例存在差异，采用井冈山航电枢纽、银盘水电站［10-11］、白河水电站、金沙水电站等任何一种结构型式均会增加闸墩总厚度，不能缩短坝轴线，但可以借鉴桥巩水电站平板门边墩与厂房边墙结合设计的成功经验，将孤山航电枢纽右区泄水闸边墩与电站厂房边墙合二为一，两者共用，泄水闸底板沿边墩进行分缝，墩墙作为厂房结构的一部分来承担侧向水压力和弧门推力。结合后的右区泄水闸边墩与电站厂房边墙平面布置和上游立视分别见图2和图3。

3 共用边墙结构型式及受力分析

3.1 结构型式

右区泄水闸与电站厂房边墙相结合的结构型式设计重难点在于减小弧门支铰顺流向集中推力对厂房边墙应力、变形及裂缝开度的影响，且该结构型式不利于设置预应力弧门支撑［12］，只能采用普通钢筋混凝土结构。针对上述问题，主机室段厂坝边墙沿高程采用变厚度设计，从高程163.0 m至高程175.0 m，机室段厂坝边墙厚度为6 m；高程175.0 m至185.6 m，边墙厚度为4 m；高程185.6至坝顶，厚度为2.5 m。主机室段厂坝边墙上游侧由挡水墙提供侧向支撑，下游侧由下游副厂房边墙提供侧向支撑。为提高下游副厂房边墙侧向支撑刚度，将下游副厂房边墙顺水流向加厚至4 m。下游副厂房段厂坝边墙厚度5 m，泄水闸钢筋混凝土弧门支撑位于下游副厂房段厂坝边墙范围。

由于厂房边墙顺流向长度达79.2 m，考虑温度应力以及为避开弧门支绞的扇形钢筋，采用错缝分块浇筑的方式，两条错缝分别位于主厂房、副厂房边墙处，保证弧门支铰的扇形钢筋位于两条错缝中间不断开，错缝处采用键槽+插筋进行处理。共用边墙分缝见图4。

3.2 受力分析

厂房与闸孔采用共用边墩的结构型式后，厂房边墙上弧门牛腿支座的弧门推力为22 000 kN，边墙同时承担厂房坝段的上、下游水压力以及下游高水位或泄水闸泄洪时右区边孔的侧向水压力，且厂坝边墙左右侧的刚度分布差别较大。由于厂房边墩结构布置和受力复杂，因此采用三维有限元分析边墩及弧门牛腿支座受力情况。

（1） 三维有限元模型。计算模型方向：X轴为坝轴线向，Y轴为竖向，Z轴为水流向。为重点分析厂房边墙在弧门支撑处的应力状态，弧门支撑附近范围采用规则的六面体单元，其他结构部位大部分采用四面体单元近似模拟。三维有限元模型见圖5。

（2） 计算工况。检修工况时，平板门挡水，下游水位较低，受力条件较好，不作为控制工况；正常挡水时，弧门支铰集中力较大，为弧门支铰部位的控制工况；校核洪水时，下游水位较高，厂房边墙承担的侧向水压力较大，为厂房边墙的控制工况。

（3） 计算参数。弧门支铰推力22 000 kN，与水平方向夹角（仰角）34.954 9°，弧门支撑结构混凝土标号C35，厂房边墙混凝土标号C30，按线弹性材料考虑。

（4） 计算结果。弧门支撑部位的应力及变形见图6～7，厂房边墙内侧的应力见图8。

3.3 分析结果

（1） 弧门支撑中心处混凝土主拉应力合力5 600 kN，与预应力闸墩相比，扇形钢筋布置面积大幅增加。

（2） 弧门支撑中心处最大应力8.12 MPa，在进入边墙1 m左右，拉应力快速下降至1.5 MPa；进入边墙大于1 m后，边墩的主应力继续降低，拉应力值较低，与独立边墩的应力状态接近。

（3） 由于主厂房下游墙提供了侧向支撑，边墙顺坝轴线向变形仅0.4 mm，与独立边墩产生的5 mm侧向变形相比，顺坝轴线向变形极微小，说明主厂房下游墙的支撑改善了弧门支撑处的变形状态。

（4） 由于主厂房下游墙的侧向支撑作用，厂房边墙内侧的整体应力值小于0.5 MPa，说明增加弧门支撑对厂房边墙受力的影响不大。

（5） 与常规独立边墩和边墙结构相比，共用边墙的总厚度减少了4.5～5.0 m。

4 结 语

与常规结构型式相比，孤山航电枢纽工程右区泄水闸边孔与厂房共用边墙新型结构充分利用了厂

房侧向支撑结构的作用，优化了弧门支撑处的应力

与变形状态，减少了边墩与边墙的总厚度。该布置型式缩短了坝轴线长度，降低了右岸坝肩边坡开挖高度，节省了工程投资。目前水库已蓄至正常蓄水位，经过3个汛期泄洪的检验，右区泄水闸边孔和厂房边墩运行良好，结构安全可靠，验证了方案的可行性。

参考文献：

［1］ 胡进华，杨本新，周浪，等.乌江银盘水电站枢纽布置设计研究［J］.人民长江，2008，39（4）：25-27.

［2］ 王常义，黄俊，张殿双.大藤峡水利枢纽总体布置研究［J］.中国水利，2020（4）：7-10.

［3］ 王仕民，王常义，常万军.大藤峡水利枢纽关键技术研究［J］.中国水利，2020（4）：38-41.

［4］ 林德芳.长洲水利枢纽工程水工建筑物设计优化［J］.红水河，2008，27（5）：39-43.

［5］ 徐艳亮，王志鹏.赣江井冈山航电枢纽总体布置［J］.水运工程，2020（12）：172-177.

［6］ 徐婷兰，罗秉珠.桥巩水电站泄水闸消能防冲设计要点综述［J］.红水河，2009，28（4）：15-19.

［7］ 肖浩波，陈连军，向光红，等.孤山航电枢纽工程布置研究［J］.人民长江，2022，53（增2）：80-82.

［8］ 长江勘测规划设计研究有限责任公司.汉江白河（夹河）水电站可行性研究报告［R］.武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2015.

［9］ 沈晓明，赵鲲鹏，张琛.金沙水电站泄洪消能设计研究［J］.水利水电快报，2022，43（3）：19-22，27.

［10］ 杜俊慧，沈晓明.银盘水电站勘察设计关键技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2022.

［11］ 杜申伟，周浪，张玲丽.乌江银盘水电站厂房设计［J］.人民长江，2008，39（4）：37-39.

［12］ 陈毅锋，雷声军.预应力闸墩设计关键问题的思考［J］.水力发电，2014，40（3）：31-33.

（编辑：江 焘，高小雲）

Study on structure of side wall shared by sluice and powerhouse of

Gushan Navigation and Hydropower Project

XIAO Haobo1，XIONG Shunfeng2，LI Guoyong1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.Hanjiang Gushan Hydropower Development Co.，Ltd.，Shiyan 442600，China）

Abstract：

In order to shorten the length of dam axis，reduce the excavation height of dam slope and save project investment of Gushan Navigation and Hydropower Project，the structure design combining the side wall of powerhouse with the side pier of sluice was put forward.The force of the shared wall structure was analyzed by three-dimensional finite element.The result showed that this new structure optimized the stress and deformation state of the support of radial gate，the thrust force of radial gate and water pressure had little influence on the stress and deformation of the whole side wall of powerhouse.After the inspection of reservoir impoundment and flood discharge in three flood seasons，the powerhouse and sluice operated well，which verified the safety and reliability of the structure.The study results can provide reference for similar engineering design．

Key words：

shared side wall； structure design； side pier of sluice； bracket of radial gate； Gushan Navigation and Hydropower Project