合頁(yè)閘底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化比選

鄭金亮，尚常清

（1.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250109；2.北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，水利工程建設(shè)在滿足防洪、供水、灌溉等功能的同時(shí)對(duì)水景觀提出了更高的要求。合頁(yè)閘相比于其他形式閘門，具有壩面整齊、造型美觀，可形成人工瀑布的特點(diǎn)，更有利于提升城市水景觀[1]。另外，當(dāng)面臨強(qiáng)降雨等極端惡劣天氣時(shí)，即使失去動(dòng)力電源，合頁(yè)閘仍能夠自動(dòng)降閘宣泄洪水，以保證城市防洪安全[2]。近年來(lái)，合頁(yè)閘作為新型低水頭攔蓄建筑物在城市河道治理中得到更多的應(yīng)用。洸府河綜合治理在洸府河樁號(hào)27+700 處新建節(jié)制閘1 座，抬升河道常水位，打造良好的水景觀效果。節(jié)制閘建筑物級(jí)別2 級(jí)，經(jīng)閘型比選確定選用合頁(yè)閘。

1 閘室布置

洸府河合頁(yè)閘閘室共1 孔，總凈寬60 m，由4 道伸縮縫將閘室分為5 聯(lián)（中間3 聯(lián)寬度均為12 m、兩邊聯(lián)寬度均為13.2 m），每聯(lián)各設(shè)2 扇、共計(jì)10 扇合頁(yè)式閘門。閘底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)16 m，閘門上游底板長(zhǎng)9 m、頂高程37.2 m、底板厚2.55 m，下游底板長(zhǎng)7 m、頂高程35.85 m、底板厚1.2 m。兩岸岸墻與底板合建，墻高8.1 m，墻頂高程42.75 m，頂寬0.5 m，底寬1.2 m。正常蓄水位42 m，擋水高度4.8 m。閘室縱斷面圖見(jiàn)圖1。

圖1 閘室縱斷面示意圖

2 基底應(yīng)力及沉降計(jì)算

2.1 閘底板基底應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016），當(dāng)結(jié)構(gòu)布置及受力情況對(duì)稱時(shí)，按下式計(jì)算閘室基底應(yīng)力[3]。

式中：Pmaxmin為閘室基底應(yīng)力的最大值或最小值，kPa；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載（含揚(yáng)壓力），kN；∑M為作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m；A為閘室基底面的面積，m2；W為閘室基底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3。

洸府河合頁(yè)閘底板基底應(yīng)力計(jì)算成果見(jiàn)表1。從計(jì)算結(jié)果分析可知：

表1 洸府河合頁(yè)閘底板基底應(yīng)力計(jì)算成果表

1）各工況下作用在閘底板上的全部豎向荷載的合力偏向上游，閘底板上游基底應(yīng)力大、下游基底應(yīng)力小，最大與最小應(yīng)力比均不滿足規(guī)范要求且超出規(guī)范值較大。

2）由于閘底板應(yīng)力比較大，將產(chǎn)生過(guò)大不均勻沉降。

3）閘底板及閘門布置等滿足抗滑穩(wěn)定要求。

2.2 沉降計(jì)算

按垂直均布荷載和垂直三角形荷載同時(shí)作用在矩形基礎(chǔ)上的模型，用角點(diǎn)法計(jì)算底板上下游點(diǎn)的地基中的附加應(yīng)力，并用分層總和法計(jì)算沉降量[4]。通過(guò)計(jì)算[5]，底板上游點(diǎn)沉降量為42.66 mm、下游點(diǎn)沉降量為32.21 mm、沉降差10.45 mm。將底板、門體和支撐系統(tǒng)作為剛體考慮，則閘門頂部位移為25 mm。

對(duì)于合頁(yè)閘此類“門門相連”的特殊閘型，若閘底板不均勻沉降過(guò)大，將會(huì)引起閘門產(chǎn)生相對(duì)位移，當(dāng)相對(duì)位移大到一定程度，輕則閘門止水則失效[6]、接縫漏水，重則閘門相互擠壓變形，升降困難。故設(shè)計(jì)中應(yīng)合理布置合頁(yè)閘底板結(jié)構(gòu)形式及尺寸，使基底應(yīng)力分布更加均勻，減小閘底板不均勻沉降。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是通過(guò)對(duì)閘底板結(jié)構(gòu)形式或尺寸進(jìn)行調(diào)整，改變閘底板基底應(yīng)力分布，從而減小閘底板不均勻沉降。

閘底板沉降差大主要是由底板自重和閘門上游水重兩個(gè)荷載偏心距偏向上游過(guò)大引起的?？紤]到閘底板長(zhǎng)度和厚度需滿足閘門的布置空間及錨固件錨固深度的要求，可通過(guò)加大底板長(zhǎng)度或調(diào)整底板結(jié)構(gòu)形式兩種方案解決此問(wèn)題。

3.1 加大底板長(zhǎng)度（方案一）

本方案將閘門軸線上游底板長(zhǎng)度由9 m 調(diào)整為13 m，底板總長(zhǎng)度由16 m 調(diào)整為20 m。對(duì)底板基底應(yīng)力進(jìn)行重新計(jì)算，成果詳見(jiàn)表2。調(diào)整后，底板上游點(diǎn)沉降量為66.12 mm、下游點(diǎn)沉降量為51.26 mm、沉降差14.86 mm，閘門頂部位移為34 mm。

表2 加大底板長(zhǎng)度后閘室基底應(yīng)力計(jì)算成果表

3.2 調(diào)整底板結(jié)構(gòu)形式（方案二）

合頁(yè)閘閘門支撐系統(tǒng)決定了閘門軸線上下游底板厚度相差較大，從而底板自重偏心距較大。通過(guò)在上游底板開孔來(lái)減小上游底板自重并調(diào)整整個(gè)底板重心位置?？锥唇孛娉叽缫欢ǖ那闆r下，應(yīng)盡量靠近底板上游，使底板重心盡量靠近底板垂直水流方向的形心軸。本方案開孔截面尺寸4 m×1.45 m，孔洞上游側(cè)壁厚1 m、下游側(cè)壁厚4 m，垂直水流方向單延米底板可減少重量145 kN，底板自重荷載偏心距由1.4 m 減小至0.5 m。優(yōu)化后的閘室縱斷面見(jiàn)圖2。

圖2 調(diào)整底板結(jié)構(gòu)形式后的閘室縱斷面圖

對(duì)調(diào)整底板結(jié)構(gòu)形式后的底板基底應(yīng)力進(jìn)行重新計(jì)算，成果詳見(jiàn)表3。調(diào)整后，底板上游點(diǎn)沉降量為36.81 mm、下游點(diǎn)沉降量為32.66 mm、沉降差4.15 mm，閘門頂部位移為15 mm。

表3 調(diào)整底板結(jié)構(gòu)形式后的閘室基底應(yīng)力計(jì)算成果表

各方案閘底板基底應(yīng)力比、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及沉降差計(jì)算成果匯總見(jiàn)表4。

表4 各方案計(jì)算成果匯總表

3.3 優(yōu)化成果對(duì)比

3.3.1 原設(shè)計(jì)和方案一對(duì)比

1）加大閘門軸線上游底板長(zhǎng)度后，各計(jì)算工況下的應(yīng)力比均有所減小，對(duì)優(yōu)化基底應(yīng)力分布有一定的作用，但效果不明顯且仍超出規(guī)范值。

2）由于閘底板長(zhǎng)度的增加，使閘底板自重和上游水重增大，從而抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)一步增大，抗滑安全性過(guò)于保守。

3）隨底板長(zhǎng)度的增加，閘底板沉降量和沉降差均增大，閘門位移亦隨之增大。故從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面考慮，加大閘門軸線上游底板長(zhǎng)度來(lái)優(yōu)化基底應(yīng)力分布是不合適的。

3．3．2 原設(shè)計(jì)和方案二對(duì)比

1）調(diào)整底板結(jié)構(gòu)形式后各計(jì)算工況下的應(yīng)力比均有明顯減小，基底應(yīng)力分布更加均勻，應(yīng)力比滿足規(guī)范要求。

2）底板混凝土用量減少降低工程投資的同時(shí)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)仍滿足規(guī)范要求。

3）調(diào)整底板結(jié)構(gòu)形式后，底板上游沉降值減小，下游沉降值基本保持不變，沉降差減小，閘門位移亦隨之減小。故本優(yōu)化方案是合適的。

4 結(jié) 語(yǔ)

合頁(yè)閘作為新型低水頭攔蓄建筑物，相比其他傳統(tǒng)形式水閘，在實(shí)際工程中的應(yīng)用時(shí)間較短[7]，目前仍未形成統(tǒng)一產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。即使是相同特征參數(shù)的閘門，不同的廠家有不同的門體結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和錨固系統(tǒng)等，對(duì)鋼筋混凝土底板布置和尺寸也有不同的要求。這就要求設(shè)計(jì)單位針對(duì)不同產(chǎn)品，優(yōu)化土建結(jié)構(gòu)布置和尺寸，做到即安全可行又經(jīng)濟(jì)合理。本文擬定兩種不同的底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并分析基底應(yīng)力重分布和沉降值的變化情況，對(duì)比優(yōu)化效果，選擇合理的優(yōu)化方案，為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。