西北某水庫進(jìn)水塔除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

張健君

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，蘭州 730000）

1 工程簡介

甘肅省通渭縣錦屏水庫位于渭河支流散渡河上游的牛谷河上，距離下游通渭縣城16 km。水庫總庫容1.2×107m3，工程規(guī)模為中型Ⅲ等工程。水庫主要由黏土心墻大壩、輸水泄洪洞、非常溢洪道、管理房及水庫自動(dòng)化調(diào)度中心站等部分組成。水庫始建于20世紀(jì)50年代，其間經(jīng)歷多次改擴(kuò)建及維修加固。本次除險(xiǎn)加固工程的建設(shè)任務(wù)之一是更換輸水泄洪洞進(jìn)水塔閘門啟閉機(jī)，相應(yīng)改建啟閉機(jī)閘房。

輸水泄洪洞進(jìn)水口為岸塔式，進(jìn)水塔下部閘室為3孔流道，均設(shè)檢修門和工作門。3個(gè)流道經(jīng)過漸變段匯集后下接輸水泄洪洞。閘室上部現(xiàn)為筒體結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)橫水流方向的中隔墻，將筒體內(nèi)部分隔為檢修門和工作門的運(yùn)行和檢修空間。筒體頂部為啟閉機(jī)閘房。進(jìn)水塔與岸坡路間設(shè)簡易人行橋，啟閉機(jī)閘房外有外挑走道板。

改建過程維持結(jié)構(gòu)原啟閉機(jī)層高程。筒體結(jié)構(gòu)頂部拆除高度1.5 m，附帶拆除重建上部閘房、啟閉機(jī)層板梁及周邊相關(guān)聯(lián)鋼筋混凝土樓梯。換裝閘門后，按照更新的啟閉機(jī)尺寸重新澆筑梁板結(jié)構(gòu)，向上重建閘房。進(jìn)水塔啟閉機(jī)房的重建施工圖設(shè)計(jì)任務(wù)涉及金屬結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備選型及安裝、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場施工組織等，具有一定的綜合性，本次對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2 改建設(shè)計(jì)方案

改建前的進(jìn)水塔建于20世紀(jì)70年代?；炷翉?qiáng)度等級(jí)較低，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為單薄，而且運(yùn)行至今，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相比新建結(jié)構(gòu)較差。拆除重建的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是保證結(jié)構(gòu)承載力，滿足設(shè)備運(yùn)行管理要求。

結(jié)構(gòu)的基本布置條件為：筒體結(jié)構(gòu)外壁順?biāo)鞣较蜷L度為9.6 m，橫水流方向?qū)?1.2 m，上游側(cè)為弧形面，外筒體厚度為0.6 m，中隔墻厚0.5 m。承重梁兩端整體澆筑在中隔墻與筒體下游側(cè)，平面空間布置為筒體的短距方向。工作門啟閉機(jī)梁以及檢修門啟閉機(jī)梁按照設(shè)備的向下傳力點(diǎn)確定，檢修門啟閉機(jī)梁兩端澆筑在中隔墻和外筒體上，并與起吊孔口尺寸協(xié)調(diào)。

進(jìn)水塔的閘門啟閉狀態(tài)按照水庫的運(yùn)行要求，可以分為幾個(gè)典型狀態(tài)：蓄水狀態(tài)、通水狀態(tài)、檢修狀態(tài)、偶然狀態(tài)。蓄水狀態(tài)下，3個(gè)流道的檢修門提升至檢修平臺(tái)鎖定安置，工作門下閘關(guān)閉，啟閉機(jī)不輸出提升力，啟閉機(jī)層板梁荷載最小。通水狀態(tài)可以有單流道、雙流道、三流道過流。檢修門均鎖定至檢修平臺(tái)，工作門按照過流通道提升。啟閉機(jī)層板梁承擔(dān)的最大荷載為三通道同時(shí)過流狀態(tài)的三道工作門提升力，一般情況為小開度提升中間位置工作門適當(dāng)下放水量即可，雙流道和三流道過流的狀態(tài)很少出現(xiàn)。檢修狀態(tài)下，3個(gè)檢修門均關(guān)閉，3個(gè)工作門提升，進(jìn)行門槽及閘門檢修，啟閉機(jī)層板梁的最大荷載為三道工作門的提升力。偶然狀態(tài)，檢修門及工作門均提升，啟閉機(jī)板梁承擔(dān)六道閘門的提升力。正常的閘門開啟方式不會(huì)出現(xiàn)此種情況，屬于假想的極限荷載狀態(tài)。本次設(shè)計(jì)以偶然狀態(tài)為計(jì)算內(nèi)力的控制工況。

主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路為：重建結(jié)構(gòu)宜按照強(qiáng)梁設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行。要求適當(dāng)增大主梁高度，提高彎矩承載力，減小撓度，把梁端變形對(duì)筒體結(jié)構(gòu)的影響降到最小。施工期和后期運(yùn)行過程中，結(jié)構(gòu)最薄弱的位置為新舊結(jié)構(gòu)銜接的冷縫結(jié)合面。從結(jié)構(gòu)承載力的角度分析，結(jié)合面位置只能豎向受壓，不能承受剪力和彎矩[1]。重建后的筒體、板梁澆筑為整體，內(nèi)部梁系承載啟閉機(jī)自重及起吊閘門荷載產(chǎn)生的彎矩值和剪力，結(jié)合面上只承擔(dān)豎向壓力。結(jié)構(gòu)起吊力加載位置及結(jié)構(gòu)縱剖面圖如圖1所示。重建梁系結(jié)構(gòu)按網(wǎng)格梁結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)力協(xié)調(diào)條件與變形協(xié)調(diào)條件，手工計(jì)算工作量較大。采用工程設(shè)計(jì)常用的結(jié)構(gòu)工具箱軟件與PKPM軟件計(jì)算結(jié)果比較確定鋼筋規(guī)格與布置形式。

圖1 啟閉機(jī)層重建結(jié)構(gòu)縱剖面圖

初次擬定的梁系結(jié)構(gòu)截面尺寸為：承重梁（梁1），跨凈距5.1 m、寬0.4 m、高0.8 m，工作門啟閉機(jī)梁（梁2），最大跨凈距3.2 m、寬0.3 m、高0.6 m，檢修門啟閉機(jī)梁（梁3），最大跨凈距2.8 m、寬0.3 m、高0.6 m。新建結(jié)構(gòu)按照水利行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)采用C30鋼筋混凝土。

計(jì)算荷載為結(jié)構(gòu)自重，控制工況的閘門提升力和啟閉機(jī)層樓面均布荷載，工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。初次計(jì)算承重梁的縱向受力鋼筋配置為11根HRB400級(jí)鋼筋，直徑28 mm，鋼筋間距太小，不易保證混凝土澆筑質(zhì)量。二次試算將承重梁截面尺寸調(diào)整為寬500 mm，高1 000 mm。重新計(jì)算的選筋結(jié)果為9根直徑28 mm的鋼筋，采用下5上4的方式雙層布設(shè)，鋼筋間距滿足和規(guī)范要求。

經(jīng)過對(duì)荷載、結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)核，計(jì)算結(jié)果比選和分析，以及參考類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果，確定重建梁系解結(jié)構(gòu)的布置為：承重梁（梁1），跨凈距5.1 m，寬0.5 m，高1.0 m，工作門啟閉機(jī)梁（梁2），最大跨凈距3.2 m，寬0.3 m，高0.6 m，檢修門啟閉機(jī)梁（梁3），最大跨凈距2.8 m，寬0.3 m，高0.6 m。

結(jié)構(gòu)及配筋的一般要求為：梁系結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)提升閘門的起吊力引起的彎矩和剪力?？v向受拉鋼筋和彎起鋼筋抵抗跨中彎矩，彎起鋼筋和箍筋抵抗梁端剪力[2]。根據(jù)計(jì)算的正截面配筋率實(shí)際選配縱向受力鋼筋。外筒體和中隔墻坐落在混凝土拆除面上，控制性內(nèi)力是梁端彎矩引起的扭矩。鋼筋以縱向直筋和橫向箍筋增強(qiáng)外筒體的整體抗扭能力。

筒體和梁系的鋼筋布置形式是保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要措施。結(jié)構(gòu)鋼筋制作與安裝以計(jì)算配筋結(jié)果為依據(jù)，補(bǔ)充構(gòu)造措施。計(jì)算結(jié)果及選筋結(jié)果見表1?？v筋的配筋率為0.44%，梁端縱筋的配筋率為1.1%，梁板結(jié)構(gòu)平均含筋量為178 kg/m3。一般新建進(jìn)水塔塔身垂直方向?yàn)槭芰χ鹘?，水平方向?yàn)榉植冀睿瑯?gòu)成面層鋼筋。啟閉機(jī)層重建結(jié)構(gòu)外筒鋼筋水平向?yàn)槭芰νㄩL鋼筋，橫向?yàn)榭古す拷?，均為受力鋼筋?/p>

表1 梁系結(jié)構(gòu)彎矩及正截面配筋成果表

3 整體設(shè)計(jì)及結(jié)合面補(bǔ)強(qiáng)措施

啟閉機(jī)層閘房樓板，最大跨度3.2 m，按照雙向板布置雙層鋼筋，外挑板布設(shè)面層受拉鋼筋。啟閉機(jī)層板的起吊孔開口位置四角布設(shè)加強(qiáng)鋼筋，梁系結(jié)構(gòu)與外筒交接接位置和梁系結(jié)構(gòu)之間的交叉位置，均按45°或30°與梁縱向鋼筋的夾角水平布設(shè)抗剪加強(qiáng)鋼筋。

啟閉機(jī)層上部閘房結(jié)構(gòu)：閘房柱位置選定在外筒轉(zhuǎn)角處及外筒與中隔墻丁字相交位置，共布置6根柱腳，截面尺寸600 mm×600 mm。柱頂梁系結(jié)構(gòu)按照啟閉機(jī)設(shè)備的位置布置。

進(jìn)水塔筒體內(nèi)原有的內(nèi)部通道為：檢修工作門的鋼筋混凝土樓梯，檢修門的預(yù)埋鋼筋鋼爬梯。重建結(jié)構(gòu)需要恢復(fù)通行功能。鋼筋混凝土樓梯拆除后，原樣恢復(fù)設(shè)計(jì)的樓梯與現(xiàn)場拆除的位置很難對(duì)接，采用制式鋼梯銜接拆除后的樓梯平臺(tái)與啟閉機(jī)層下人孔位置[3]。檢修門的預(yù)埋鋼筋鋼爬梯恢復(fù)埋設(shè)，與原位置對(duì)接。

筒體外側(cè)設(shè)有1.5 m寬的外挑走道板，鋼欄桿防護(hù)，滿足巡視功能和建筑美化作用。

筒體的新舊混凝土銜接位置接縫補(bǔ)強(qiáng)措施。原筒體和中隔墻拆除高程以上，拆除過程保留長0.5 m的豎向受力鋼筋，與新建結(jié)構(gòu)的鋼筋骨架焊接成整體。接觸面筒體軸線位置采取植鋼筋措施。植鋼筋規(guī)格為HRB400級(jí)鋼筋，直徑25 mm，植筋間距0.5 m，梅花形布置，植鋼筋錨孔深度1.0 m，孔內(nèi)灌注結(jié)構(gòu)膠，接觸面外預(yù)留1.0 m澆筑到新混凝土中。拆除面鑿毛后清理干凈。

啟閉機(jī)層與庫邊公路原有人行交通橋連接。橋端搭接在獨(dú)立橋墩上，交通橋與啟閉機(jī)層的結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立。本次除險(xiǎn)加固沒有對(duì)交通橋的維修任務(wù)。進(jìn)水塔的拆除及重建過程不能擾動(dòng)交通橋結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

水利行業(yè)現(xiàn)階段普遍進(jìn)行各類除險(xiǎn)加固工程建設(shè)任務(wù)，涉及許多老舊結(jié)構(gòu)需要拆除重建。本次對(duì)錦屏水庫輸水泄洪洞進(jìn)水塔的啟閉機(jī)閘房的拆除重建設(shè)計(jì)任務(wù)，整體設(shè)計(jì)過程的前期資料掌握，明確工程任務(wù)，設(shè)計(jì)重點(diǎn)分析，結(jié)構(gòu)布置、配筋設(shè)計(jì)，以及功能性設(shè)計(jì)，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)和思路對(duì)類似工程可以酌情借鑒。