合页闸底板结构设计方案的优化比选

郑金亮，尚常清

（1.水发规划设计有限公司，山东 济南 250109；2.北京市水利规划设计研究院，北京 100048）

随着我国经济社会的发展和人民生活水平的提高，水利工程建设在满足防洪、供水、灌溉等功能的同时对水景观提出了更高的要求。合页闸相比于其他形式闸门，具有坝面整齐、造型美观，可形成人工瀑布的特点，更有利于提升城市水景观[1]。另外，当面临强降雨等极端恶劣天气时，即使失去动力电源，合页闸仍能够自动降闸宣泄洪水，以保证城市防洪安全[2]。近年来，合页闸作为新型低水头拦蓄建筑物在城市河道治理中得到更多的应用。洸府河综合治理在洸府河桩号27+700 处新建节制闸1 座，抬升河道常水位，打造良好的水景观效果。节制闸建筑物级别2 级，经闸型比选确定选用合页闸。

1 闸室布置

洸府河合页闸闸室共1 孔，总净宽60 m，由4 道伸缩缝将闸室分为5 联（中间3 联宽度均为12 m、两边联宽度均为13.2 m），每联各设2 扇、共计10 扇合页式闸门。闸底板顺水流方向长16 m，闸门上游底板长9 m、顶高程37.2 m、底板厚2.55 m，下游底板长7 m、顶高程35.85 m、底板厚1.2 m。两岸岸墙与底板合建，墙高8.1 m，墙顶高程42.75 m，顶宽0.5 m，底宽1.2 m。正常蓄水位42 m，挡水高度4.8 m。闸室纵断面图见图1。

图1 闸室纵断面示意图

2 基底应力及沉降计算

2.1 闸底板基底应力计算

根据《水闸设计规范》（SL265-2016），当结构布置及受力情况对称时，按下式计算闸室基底应力[3]。

式中：Pmaxmin为闸室基底应力的最大值或最小值，kPa；∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载（含扬压力），kN；∑M为作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m；A为闸室基底面的面积，m2；W为闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，m3。

洸府河合页闸底板基底应力计算成果见表1。从计算结果分析可知：

表1 洸府河合页闸底板基底应力计算成果表

1）各工况下作用在闸底板上的全部竖向荷载的合力偏向上游，闸底板上游基底应力大、下游基底应力小，最大与最小应力比均不满足规范要求且超出规范值较大。

2）由于闸底板应力比较大，将产生过大不均匀沉降。

3）闸底板及闸门布置等满足抗滑稳定要求。

2.2 沉降计算

按垂直均布荷载和垂直三角形荷载同时作用在矩形基础上的模型，用角点法计算底板上下游点的地基中的附加应力，并用分层总和法计算沉降量[4]。通过计算[5]，底板上游点沉降量为42.66 mm、下游点沉降量为32.21 mm、沉降差10.45 mm。将底板、门体和支撑系统作为刚体考虑，则闸门顶部位移为25 mm。

对于合页闸此类“门门相连”的特殊闸型，若闸底板不均匀沉降过大，将会引起闸门产生相对位移，当相对位移大到一定程度，轻则闸门止水则失效[6]、接缝漏水，重则闸门相互挤压变形，升降困难。故设计中应合理布置合页闸底板结构形式及尺寸，使基底应力分布更加均匀，减小闸底板不均匀沉降。

3 结构设计方案优化

结构优化的目的是通过对闸底板结构形式或尺寸进行调整，改变闸底板基底应力分布，从而减小闸底板不均匀沉降。

闸底板沉降差大主要是由底板自重和闸门上游水重两个荷载偏心距偏向上游过大引起的。考虑到闸底板长度和厚度需满足闸门的布置空间及锚固件锚固深度的要求，可通过加大底板长度或调整底板结构形式两种方案解决此问题。

3.1 加大底板长度（方案一）

本方案将闸门轴线上游底板长度由9 m 调整为13 m，底板总长度由16 m 调整为20 m。对底板基底应力进行重新计算，成果详见表2。调整后，底板上游点沉降量为66.12 mm、下游点沉降量为51.26 mm、沉降差14.86 mm，闸门顶部位移为34 mm。

表2 加大底板长度后闸室基底应力计算成果表

3.2 调整底板结构形式（方案二）

合页闸闸门支撑系统决定了闸门轴线上下游底板厚度相差较大，从而底板自重偏心距较大。通过在上游底板开孔来减小上游底板自重并调整整个底板重心位置。孔洞截面尺寸一定的情况下，应尽量靠近底板上游，使底板重心尽量靠近底板垂直水流方向的形心轴。本方案开孔截面尺寸4 m×1.45 m，孔洞上游侧壁厚1 m、下游侧壁厚4 m，垂直水流方向单延米底板可减少重量145 kN，底板自重荷载偏心距由1.4 m 减小至0.5 m。优化后的闸室纵断面见图2。

图2 调整底板结构形式后的闸室纵断面图

对调整底板结构形式后的底板基底应力进行重新计算，成果详见表3。调整后，底板上游点沉降量为36.81 mm、下游点沉降量为32.66 mm、沉降差4.15 mm，闸门顶部位移为15 mm。

表3 调整底板结构形式后的闸室基底应力计算成果表

各方案闸底板基底应力比、抗滑稳定安全系数及沉降差计算成果汇总见表4。

表4 各方案计算成果汇总表

3.3 优化成果对比

3.3.1 原设计和方案一对比

1）加大闸门轴线上游底板长度后，各计算工况下的应力比均有所减小，对优化基底应力分布有一定的作用，但效果不明显且仍超出规范值。

2）由于闸底板长度的增加，使闸底板自重和上游水重增大，从而抗滑稳定安全系数进一步增大，抗滑安全性过于保守。

3）随底板长度的增加，闸底板沉降量和沉降差均增大，闸门位移亦随之增大。故从技术和经济方面考虑，加大闸门轴线上游底板长度来优化基底应力分布是不合适的。

3．3．2 原设计和方案二对比

1）调整底板结构形式后各计算工况下的应力比均有明显减小，基底应力分布更加均匀，应力比满足规范要求。

2）底板混凝土用量减少降低工程投资的同时，抗滑稳定安全系数仍满足规范要求。

3）调整底板结构形式后，底板上游沉降值减小，下游沉降值基本保持不变，沉降差减小，闸门位移亦随之减小。故本优化方案是合适的。

4 结 语

合页闸作为新型低水头拦蓄建筑物，相比其他传统形式水闸，在实际工程中的应用时间较短[7]，目前仍未形成统一产品标准。即使是相同特征参数的闸门，不同的厂家有不同的门体结构、支撑结构和锚固系统等，对钢筋混凝土底板布置和尺寸也有不同的要求。这就要求设计单位针对不同产品，优化土建结构布置和尺寸，做到即安全可行又经济合理。本文拟定两种不同的底板结构优化方案，并分析基底应力重分布和沉降值的变化情况，对比优化效果，选择合理的优化方案，为类似工程设计提供借鉴。