劉世煌

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院,北京 100120)

隨著水利水電事業(yè)的發(fā)展,我國在丘陵、山區(qū)修建了一大批水利水電樞紐,其中有相當(dāng)部分擋水泄水建筑物為中低水頭的閘壩。

這些閘壩大多建設(shè)在巖石或砂礫地基上,由于庫容及裝機(jī)較小,大部分建筑物級(jí)別不高,但上下游水頭差卻較大,相應(yīng)閘室結(jié)構(gòu)尺寸也較大,結(jié)構(gòu)形式也較為復(fù)雜,部分閘壩高度已從10～20m,提高到30～50m,閘室上下游水頭差已超過40m,許多閘壩還帶有較大的胸墻,胸墻的高度已達(dá)30m,厚度達(dá)4m。雖然這些閘壩尺寸較大,但仍屬于中低水頭擋水泄水建筑物,仍按水閘設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1 近期我國水利及水電工程中帶胸墻水閘結(jié)構(gòu)尺寸

我國頒布的第一部水閘設(shè)計(jì)規(guī)范為《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(SD133-84),是在總結(jié)我國20世紀(jì)50～70年代在江蘇、安徽等平原地區(qū)建設(shè)大批水閘經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上編制而成,當(dāng)時(shí)閘室高度大多5～10m,閘室長8～20m,上下游水頭差4～8m,且大多為開敞式水閘。正由于上述原因,該規(guī)范明確申明:本規(guī)范適用范圍為平原地區(qū)的大中型工程中1、2、3級(jí)水閘設(shè)計(jì),山區(qū)和丘陵地區(qū)及平原地區(qū)4、5級(jí)水閘設(shè)計(jì),參照?qǐng)?zhí)行。該規(guī)范還講明,該規(guī)范重點(diǎn)適用于土基上的水閘設(shè)計(jì)。相應(yīng)該規(guī)范規(guī)定的閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算方法,主要沿襲前蘇聯(lián)(CHNПН-16-76)水工建筑物地基設(shè)計(jì)規(guī)范,采用彈性地基梁法,計(jì)算閘室底板應(yīng)力,采用傅作新彈性力學(xué)法,計(jì)祘閘墩應(yīng)力。

1997年,經(jīng)三年修編,頒布了《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2001),由于種種原因,該次規(guī)范修編工作對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有關(guān)計(jì)算方法,并未進(jìn)行深入的研究、也未反映當(dāng)時(shí)有限元逐步推廣所帶來的變化,原結(jié)構(gòu)計(jì)算方法和規(guī)定未做較大的變動(dòng),但該規(guī)范卻明確擴(kuò)大了適用范圍,在各章節(jié)中增加了山區(qū)、丘陵及巖石地基上水閘設(shè)計(jì)的規(guī)定,增加了閘室胸墻結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)容,這樣在非土地基上的中低水頭水閘設(shè)計(jì)中,難免出現(xiàn)一些問題(如下)。

1 基巖上水閘底板應(yīng)力分析

《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2001)7.5.2條規(guī)定,對(duì)于開敞式巖基上的閘室底板應(yīng)力分析可按基床系數(shù)法計(jì)算。湖北恩施金龍灘水電站5孔開敞式泄洪閘,寬72m,高 26m,長23m,上下游水頭差 12m,5級(jí)建筑物,灰?guī)r基礎(chǔ)。接基床系數(shù)法計(jì)算需2m厚鋼筋混凝土底板,三維有限元計(jì)算復(fù)核,表明原設(shè)計(jì)安全度較大,只需按構(gòu)造配筋。施工中由于地方群眾阻撓,基坑無法正常施工,為了安全渡汛,汛期前,掄澆0.8～1.4m厚鋼筋混凝土底板,有人擔(dān)心結(jié)構(gòu)安全,結(jié)果在惡劣工況下運(yùn)行一年多,結(jié)構(gòu)安然,且未發(fā)現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)裂縫,這似乎說明水閘設(shè)計(jì)規(guī)范適用范圍擴(kuò)大到基巖后,相應(yīng)的計(jì)算方法和計(jì)算參數(shù)可能存在不匹配之處。

2 開敞式弧形閘門閘墩應(yīng)力分析

《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2001)7.5.6條規(guī)定,開敞式和胸墻與閘墩簡支式弧形閘門閘墩應(yīng)力分析,宜采用彈性力學(xué)方法。本條文說明稱:弧形閘門閘墩受力條件比較復(fù)雜,不只是偏心受拉,而且還受扭,是一塊一邊固定三邊自由的彈性矩形板,其應(yīng)力狀況宜采用彈性力學(xué)方法進(jìn)行分析。

當(dāng)前一些工程弧形閘門的閘墩應(yīng)力,仍采用了傅作新-沈潛民的彈性力學(xué)應(yīng)力計(jì)算法。該方法是1959年結(jié)合江蘇二河閘設(shè)計(jì),把中墩簡化為中心受拉平板,把邊墩簡化為平面彎曲板,利用彈性力學(xué)原理推導(dǎo)的一種計(jì)算方法。該方法把推力除以中墩和邊墩厚度,得出單位寬度閘墩推力,再把該推力分解為P、Q、力矩M三個(gè)應(yīng)力分量,將閘墩分成若干個(gè)矩形格子,然后建立物理方程,以變位連續(xù)性求解各格子平均應(yīng)力和方向。該方法只能計(jì)算高寬比為5︰8和 5︰10兩種尺寸比例的中墩及邊墩,P=100t,Q=100t,M=100t?m 時(shí)的應(yīng)力,其他比尺時(shí)按比例內(nèi)插,其他荷載按比例放大。由于該方法只能考慮弧門推力作用,不能考慮中墩一側(cè)關(guān)門一側(cè)過水的工況,也不能考慮迎水面水壓、墩側(cè)面水壓作用,更不能考慮承受水壓力的胸墻作用,是一個(gè)受單純弧門推力作用下的平面應(yīng)力問題的彈性力學(xué)解,峽城閘墩計(jì)算結(jié)果:證明采用上述計(jì)算方法,配筋較大。

3 帶胸墻閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2001)7.5.7條規(guī)定:對(duì)于與閘墩固支連接的胸墻式水閘,閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力可按彈性地基上的整體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)還要求考慮溫度應(yīng)力的作用,條文說明中還要求:在施工期框架尚未形成前,此時(shí)可按彈性地基梁進(jìn)行閘室底板應(yīng)力分析,框架形成后,應(yīng)按彈性地基上整體框架進(jìn)行應(yīng)力分析,底板最終應(yīng)力為兩階段應(yīng)力總和。

帶胸墻式水閘是一個(gè)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),(SL265-2001)規(guī)范把它簡化為一些各自獨(dú)立的幾個(gè)平面框架,采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法或彈性力學(xué)方法計(jì)算,本身就帶來較大的誤差,由于規(guī)范缺少相應(yīng)計(jì)算公式和附表,較難執(zhí)行,特別當(dāng)巖基上的水閘高度、胸墻高度及上下水頭差加大后,20～30m高的胸墻,實(shí)際成了嵌固在順?biāo)鞣较騽偠群艽箝l墩上的一個(gè)承受巨大水荷載的深梁,整個(gè)閘室實(shí)際成為一個(gè)建于基巖上的頗為復(fù)雜的超靜定的空間結(jié)構(gòu),再把它簡化為一個(gè)單寬的彈性地基上的框架,其誤差可能更大。

基于上述原因,考慮到現(xiàn)有彈性地基梁上部結(jié)構(gòu)計(jì)算中許多不完善的因素,再加上溫度影響較難考慮,在胸墻式水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,出現(xiàn)五花八門的計(jì)算方法,一些工程把胸墻視為兩端固支的單寬梁,不計(jì)溫度應(yīng)力,與閘底板、閘墩分開計(jì)算;有的把底板簡化為簡支基礎(chǔ)板,把閘墩簡化為懸臂梁;有的考慮基巖并非土體,特別是因預(yù)應(yīng)力閘墩計(jì)算的需要,已自發(fā)的用有限元法進(jìn)行閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表2 近期幾個(gè)帶胸墻水閘結(jié)構(gòu)計(jì)算方法、成果及配筋

從表2可知:近期興建的帶胸墻水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,計(jì)算方法明顯不同,計(jì)算結(jié)果和配筋有較大差異,有的工程超量配筋,拉錨系數(shù)高達(dá)3.68～4.91,有的水閘已出現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)性裂縫。

總之非土地基上的帶胸墻的水閘、弧形閘門預(yù)應(yīng)力閘墩、本身就是一個(gè)復(fù)雜的整體空間結(jié)構(gòu)。隨著水閘設(shè)計(jì)規(guī)范適用范圍的擴(kuò)大,隨著閘室水頭的加大,再采用結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)方法計(jì)祘,可能會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

考慮到目前水閘有限元計(jì)祘中計(jì)祘參數(shù)選取及一些具體條件,建議在下階段規(guī)范修編中,對(duì)現(xiàn)有各種計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析,推薦經(jīng)得起實(shí)踐考驗(yàn),技術(shù)合理,易于實(shí)施的計(jì)祘方法,并講明適用條件,補(bǔ)充相應(yīng)的附件,修編水閘設(shè)計(jì)規(guī)范。