淺談閘門井抗外壓設計的優化

張 生 東，　邱 海 波

(1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京　100024；2.北京市京密引水管理處，北京　101400)

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淺談閘門井抗外壓設計的優化

張 生 東1，邱 海 波2

(1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100024；2.北京市京密引水管理處，北京101400)

摘要：在閘門井設計中，不可避免會涉及到抗外壓設計問題，一些閘門井孔口部位的跨度較大，使得在不考慮與圍巖的聯合承載時，閘門井孔口部位兩側井壁結構的內力及配筋結果較大，按該結果進行配筋是很不經濟的。以額勒賽下游水電站上電站工程泄洪放空洞閘門井為例，通過考慮圍巖與混凝土的聯合作用，大大減小了井身結構配筋，為類似的閘門井結構設計提供參考。

關鍵詞：閘門井；抗外壓；固結灌漿圈；聯合作用

1前言

在閘門井設計中，不可避免會涉及到抗外壓設計問題，在抗外壓設計中：一方面，部分電站由于弧門的設置，使得閘門井孔口部位的跨度較大；另外，水庫建成蓄水后，地下水位抬高，也使得閘門井需要承受較大的外水壓力，因此，閘門井抗外壓設計時孔口部位兩側井壁結構的內力較大。

由于閘門井在進行固結灌漿且設置錨桿后，保證了襯砌與巖石的聯合作用，由于固結灌漿的作用，使得襯砌周圍的巖石滲透系數減小，客觀地使外水壓力作用在襯砌外緣的巖石固結圈上，因此，結合部分已建工程的處理方法，可考慮把外水壓力作用在襯砌外緣的巖石注漿加固圈上。本文結合柬埔寨額勒賽下游水電站上電站工程泄洪放空洞閘門井設計，分別按考慮與圍巖聯合承載和不考慮聯合承載兩種情況進行了計算，通過對兩種方法的計算結果對比發現，采用考慮圍巖與混凝土的聯合承載時，可大大減少配筋。

2工程概況

額勒賽下游水電站位于柬埔寨王國戈公(Koh Kong)省以北20 km、首都金邊以西180 km的額勒賽河下游，分設上下兩個電站工程。上電站樞紐布置為混凝土面板堆石壩+下游左岸地面廠房，總裝機容量為206 MW。工程規模為大(2)型，工程等別為二等，主要建筑物級別為2級，次要建筑物為3級。地震基本烈度為6度，設計烈度為6度。

泄洪放空洞布置在右岸，位于溢洪道以右山體內，泄洪洞中部設閘門井，閘門井內設事故閘門及弧形工作門各一扇。閘門井長度為29.5 m，樁號為洞0+196.00 m ～洞0+225.50 m，閘門井內包括一扇孔口尺寸為6.0×8.0 m(寬×高)的平板檢修門，一扇孔口尺寸為6.0×7.0 m(寬×高)的弧形工作門。閘門井總深約75 m，閘門井開挖斷面為寬度12 m，長度自下而上為29.5 m～16.2 m。

圖1　閘門井縱斷面圖

對于正常運行工況，工作閘門孔內無水，內水壓力為零，外水水位263.0 m。閘門井孔口部位具體體型見圖1。

3井身結構計算

3.1不考慮圍巖聯合承載

3.1.1計算假定及模型

不考慮圍巖的作用，將206 m高程以上閘門井結構簡化成平面框架結構，四周承受均布荷載，利用結構力學求解器計算閘門井斷面簡化結構的內力，模型見圖2。

圖2　閘門井206 m高程簡化模型

將EL.206 m～EL.191.4 m閘門井壁簡化為雙向板結構，雙向板上下游兩個方向為固端，頂部和底部為簡支；

圖3　▽191.40 m～▽206 m雙向板模型

將EL.191.4 m以下閘門井壁簡化為雙向板結構，雙向板三個方向為固端，頂部為簡支；

圖4　▽181.90 m～▽191.40 m雙向板模型

在洞室開挖過程中采用噴錨、掛網支護，并對周圍巖體進行固結灌漿，因此在計算時不計入圍巖壓力；

抗外壓計算時，考慮到閘門井外圍巖較單薄，與水庫連通性通性較好，外水壓力偏安全地按正常蓄水位選取。

3.1.2內力及配筋計算

根據內力結果對各個截面進行配筋后結果如表1：

3.2考慮圍巖聯合承載

3.2.1計算假定

計算時不計入圍巖壓力，外水壓力偏安全地按正常蓄水位選取；

參考公伯峽[1]、洪家渡[2]的設計方法，以及《水工隧洞結構限裂設計研究》[3]的成果，在計算外水時考慮注漿加固圈的作用，以反映圍巖的貢獻，把外水壓力當作面力進行分析計算，外水壓力直接作用在襯砌外緣的注漿加固圈上；

在閘門井設計中，采用了系統錨桿支護并進行了固結灌漿，其中錨桿參數為：φ25@1.5 m×1.5 m，L=4.5 m，入巖3.8 m；固結灌漿參數為：固結灌漿孔孔徑?50 mm，排距3 m，深入巖石5.0 m。考慮到固結灌漿及錨桿對圍巖的加固，及外露70 cm錨桿與混凝土襯砌的拉結作用，在計算時考慮3.8 m圍巖作為“注漿加固圈”。

表1　不考慮圍巖聯合承載配筋結果

3.2.2計算模型

(1)有限元模型

計算采用ansys，建立三維模型，網格采用映射剖分，圍巖和混凝土均采用SOLID 65單元。具體模型見下圖，井身混凝土襯砌與加固圈圍巖見共節點，圍巖厚度為3.8 m，該模型范圍為：EL.177.5 m～EL.219.52 m。

圖5　閘門井井身及注漿加固圈模型

(2)約束及荷載

對于正常運行工況，事故閘門井孔內水位為正常蓄水位，其下游側工作閘門孔內無水，靜水壓力為零，加固圈外圍的外水壓力按正常蓄水位263.0 m考慮。

3.2.3有限元計算結果

閘門井井身第一主應力結果如下：

從混凝土襯砌的第一主應力結果來看，總體在1 MPa左右，最大值為2.35 MPa，其中拉應力最大部位位于弧門門槽及檢修門孔口附近，尤其是191.4平臺及檢修門槽下游側應力最大，以下選取有代表性的四個截面進行線性化和內力計算。具體截面位置如圖6。

3.2.4配筋計算

將截面應力線性化得到內力結果，根據內力進行配筋后結果如表2：

圖6　模型荷載及約束示意圖

圖7　閘門井井身內側第一主應力云圖

截面截面高/m最大應力/(kN/m2)最小應力/(kN/m2)彎矩/kN·m軸力/kN配筋結果/m內 側外 側12.31806-18501611.7-50.6(單)6φ32(單)6φ3222.31175.4-17512194.8-863.4(單)6φ32(單)6φ32331600-1318.12188.6422.9(單)6φ32(單)6φ32431461.5-1814.62457.1-529.7(單)6φ36(單)6φ36

4 結語

由于閘門井在進行固結灌漿且設置錨桿后，保證了襯砌與巖石的聯合作用，固結灌漿的作用，使得襯砌周圍的巖石滲透系數減小，客觀地使外水壓力作用在襯砌外緣的巖石固結圈上。因此，在工程設計階段無地下水位資料時，可考慮把外水壓力作用在襯砌外緣的巖石注漿加固圈上。

對于額勒賽下游水電站上電站泄洪防空洞閘門井，在考慮圍巖的聯合承載后，截面的配筋面積減少了大約30%，創造了良好的經濟效益，目前額勒賽已建成發電，閘門井運行情況良好。

參考文獻：

[1]陳念水、王衛國. 水工隧洞設計中外水壓力的探討，西北水電，2012(5)：28-31；

[2] 湛正剛、張晉秋. 水工隧洞外水壓力設計分析探討，貴州水力發電，2000(4)31-34；

[3]中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院. 水工隧洞結構限裂設計研究成果報告，2008；

張生東(1938-)，男，江蘇儀征人，工程師，主要從事水電工程的設計和科研工作；

邱海波(1982-)，男，山東汶上人，工程師，主要從事水利工程管理工作.

(責任編輯：卓政昌)

中電建設計施工西藏多布水電站投產

1月17日，由中國電建設計施工的西藏多布水電站最后一臺(1號)機組順利完成72小時試運行，至此，該電站4臺機組全部具備投入商業運行條件。

多布水電站位于西藏林芝縣境內尼洋河上，距林芝行署所在地八一鎮約25千米，水庫正常蓄水位3 076米，總庫容8 500萬立方米，為日調節水庫。初選電站裝機容量12萬千瓦，年利用小時4 217小時，設計年發電量5.06億千瓦時。多布水電站是尼洋河綜合治理與保護規劃優先項目，一旦投產發電，對緩解藏中電網供電緊張局面，促進西藏經濟社會發展具有重要意義。該工程主要由攔河壩、泄水和發電等建筑物組成，是西藏第十二個五年規劃期間能源發展重點項目，獲得中央預算內投資額度12.13億元。電站準備工程于2011年6月開工建設，2014年12月11日實現大江截流，首臺(4號)機組于2015年8月29日發電。

大唐發電2015年發電量：1 697.252億千瓦時

根據大唐發電初步統計，截止到2015年12月31日，大唐發電及子公司(“本集團”)已累計完成發電量約1 697.252億千瓦時，比去年同期減少約10.12%;本集團累計完成上網電量約1 608.296億千瓦時，比去年同期減少約9.97%。受全國電力供需總體寬松以及本集團火電機組所在區域電網利用小時下降的影響，火電機組發電量同比降低約11.55%，上網電量同比降低約11.50%;因本集團水電機組容量增加等因素的影響，水電機組發電量同比增加約0.17%，上網電量同比增加0.75%;因本集團風電機組容量同比增加，風力及光伏機組發電量同比增加約2.49%，上網電量同比增加2.61%。

國電電力2015年全年發電量：1 688億千瓦時

截至2015年12月31日，國電電力公司控股裝機容量4 630.35萬千瓦，其中火電3 120.75萬千瓦，水電1 080.03萬千瓦，風電408.37萬千瓦,太陽能光伏21.20萬千瓦。公司第四季度新增火電裝機容量66萬千瓦，新增水電裝機容量28.5萬千瓦，新增風電裝機容量27.8萬千瓦，新增光伏0.1萬千瓦。

國電電力公司2015年全年累計完成發電量1 688億千瓦時，上網電量1 595.19億千瓦時，平均上網電價353.89元/千千瓦時，較同期分別下降了5.71%，6.15%和4.88%。其中：火電企業累計完成發電量1 293.51億千瓦時，同比下降10.12%，上網電量1 206.73億千瓦時，同比下降10.73%。水電企業累計完成發電量319.16億千瓦時，同比增長12.46%，上網電量315.76億千瓦時，同比增長12.14%。風電企業累計完成發電量72.32億千瓦時，同比增長13.28%，上網電量69.71億千瓦時，同比增長10.55%。光伏企業累計完成發電量3.01億千瓦時，同比降低11.47%，上網電量2.99億千瓦時，同比降低10.48%。

作者簡介:

收稿日期:2015-06-01

文章編號:1001-2184(2016)01-0104-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV663；U456.2