淺談高水頭事故閘門軌道及鋼襯砌設計

聶青雷

（1.水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣水利局，新疆 阿克陶 845550）

1 考慮滲透水壓力對軌道結構及鋼襯砌作用的場合

隨著我國經濟的快速發展，國家基礎建設能力也取得了突飛猛進的發展，一大批高壩大庫拔地而起。隨著壩高的不斷突破，閘門擋水水頭也不斷提高，對水工金屬結構的要求也越來越高。

高水頭的閘門也比比皆是，按照操作水頭高度及目前我國發展水平和認識水平[1]，大致可認為閘門在50 m～80 m的水頭高度下可稱為高水頭閘門。此類閘門水道壓力大、流速快，容易造成門槽氣蝕破壞，尤其是平面閘門門槽破壞了水道原有的平順性，更易造成門槽氣蝕破壞[2]。根據水流通過門槽時的流場分布情況，確定門槽結構型式。通過門槽下游側錯距加圓弧過渡的型式使閘門門槽曲線盡可能地符合水流流暢的分布曲線。此法不但可以使水流更加平順的通過門槽，減輕過閘水流對閘門的擾動，減小閘門的震動發生的概率和程度，而且可以減小門槽磨損和氣蝕發生的程度。

另一方面在設計門槽時設計人員往往通過襯砌門槽及水道提高過流面的表面光潔度使得水道水流更加平順，減小門槽及水道氣蝕破壞的可能，從而達到延長軌道及水道使用年限的目的。由于上述設計考慮，設計人員往往對門槽及水道采取部分斷面或者全斷面的襯砌，這樣襯砌的面積就大，這就帶來了另一個問題，鋼襯砌設計時自身強度和安裝強度的設計荷載的組成怎么確定？

以往的設計中往往只考慮了自身安裝運輸的需要，并未對其承受的荷載組成進行深入研究。目前工程中少有針對滲透水壓力對軌道結構及鋼襯砌的影響提出相關設計要求的案例，工程實踐中設計者往往只考慮門槽主軌、反軌在主受力方向上的結構強度的驗算，而忽略了滲透水壓力對預埋件的影響，這樣一來會造成軌道結構及鋼襯砌結構設計強度不夠；另一方面如果不考慮滲透水壓力的影響，軌道結構及鋼襯砌安裝時錨固強度的設計依據就不足，這樣就有可能造成錨固力不足的情況發生，會給工程安全帶來潛在的安全風險。因此筆者認為對高水頭閘門應該充分考慮滲透水壓力對埋件的影響，分析滲透水壓力的大小和作用特點，為預埋件的設計和安裝提供依據。

2 門槽軌道及鋼襯砌滲透水壓力的產生原因

1）混凝土是一種毛細結構，是由水、砂、石子，必要時摻入化學外加劑和礦物摻合料按適當比例配合，經過均勻攪拌、密實成型及養護硬化而成的人工石，混凝土澆筑完之后混凝土養護過程中會產生毛細孔，同時在澆筑過程中如振搗不密會形成孔隙。

2）混凝土澆筑的一期、二期結合面如鑿毛和振搗工藝不達標，也會形成縫隙，形成透水通道。

3）軌道結構及鋼襯砌與混凝土澆筑在一期，材料不同，混凝土在硬化過程中會干縮，在結合面上形成縫隙，形成透水通道。

以上三種情況均會形成滲水通道，庫水順著這些通道到達預埋件于閘井混凝土之間的空隙并充滿后，理論上空隙和水庫就形成連通器，此時空隙內的壓力是庫水壓力，鋼板是不透水材料，充滿空隙的水又無法排除就會作用在鋼板上形成滲透壓力。因此設計人員應充分分析埋件承受的滲透水壓力的大小及作用特點，為軌道及鋼襯砌結構設計和安裝錨固提供依據。

3 不同止水方向的閘門軌道結構及鋼襯砌的滲透水壓力

上游止水的平面事故閘門處于全關狀態時，閘門門葉水封沿著底軌、反軌及上游門楣形成一道封水線，將庫水擋在門槽上游面，門后處于干燥的無水狀況。主軌受力分析：因門槽處于無水狀態，主軌在門槽下游側也處于無水狀態，受大氣壓作用，主軌受閘門門葉擋水壓力，通過閘門門葉支承傳遞給主軌，理論上主軌不承受滲透水壓力，設計時考慮門葉傳遞的荷載。反軌受力分析：因門槽處于無水狀態，反軌在門槽上游側也處于無水狀態，反軌受閘門門葉止水預壓產生的與壓力作用（量級小），另外反軌上游側受庫水壓力，下游側是大氣壓，所以應考慮反軌承受相當于庫水水頭的滲透水壓力。門楣受力分析：門楣的受力情況與反軌相同。

下游止水的平面事故閘門處于全關狀態時，閘門門葉水封沿著底軌、主軌及下游門楣形成一道封水線，將庫水擋在門槽下游面，門槽處于被庫水充滿狀況。主軌受力分析：因門槽充滿庫水狀態，主軌在門槽下游側側水封以外側護板處于無水狀態，主軌受閘門門葉擋水壓力，通過閘門門葉支承傳遞給主軌，同時承受滲透水壓力。反軌受力分析：因門槽充滿庫水狀態，反軌在門槽上游側處于充滿庫水狀態，反軌承受庫水壓力，但是壓向混凝土方向的，不影響結構安全，設計滿足構造和自身運輸安裝要求即可。門楣受力分析：門楣在頂水封以下（一般只有100 mm）處于無水狀態，承受滲透水壓力。門楣在頂水封以上部分受力情況與反軌受力情況相同。

4 如何減小軌道及鋼襯砌所承受的滲透水壓

1）滲透水壓力產生的三個主要原因均是有滲透通道，解決的辦法是堵住滲透通道。通過提高混凝土的澆筑質量，加強振搗，從而減小混凝土的空隙。

2）在一期混凝土和二期混凝土接合面增設止水，嚴把一二期接合面鑿毛質量關，提高一二期混凝土的結合效果。另二期混凝土應選擇合理的級配，降低孔隙率，從而達到堵水目的。

3）軌道及鋼襯砌安裝過程要固定可靠，不能跑模，澆筑完成待混凝土干縮后及時檢查鋼襯砌和混凝土的結合質量，提高檢查比例，對有澆筑不密實的部位及時灌漿處置。對鋼襯砌在設計時就預留適當數目的灌漿孔，便于后期灌漿。

5 軌道及鋼襯砌結構及安裝錨固設計荷載的選擇

應明確門槽軌道及鋼襯砌結構設計應考慮滲透水壓力的作用。根據閘門止水方向不同分析主軌、反軌、門楣、鋼襯砌所受的滲透水壓力，依次確定閘門主軌、反軌、門楣及鋼襯砌受力工況組合，其中在強度設計方面，軌道及鋼襯砌承受滲透水頭的選擇應遵循偏安全的原則，宜選用庫水水頭。

確定設計荷載后應選合適的錨固方式，目前常用的是采用搭接筋將一期混凝土預埋插筋或預埋板和軌道及鋼襯砌焊接在一起，然后通過二期混凝土的澆筑，將軌道及鋼襯砌和一期混凝土連接為整體。搭接鋼筋在焊接時可采用單面焊接，也可采用雙面焊接，但搭接鋼筋在搭接的過程中應該遵循等強度搭接的原則，從而充分發揮搭接鋼筋、預埋鋼筋或者預埋板的錨固力，達到設計錨固要求。一期插筋或者預埋板的布置應相對均勻，一方面是傳力均勻，設計時軌道和鋼襯砌能節省材料，另一方面搭接均勻也能方便二期混凝土的澆筑和振搗，從而提高澆筑效率和澆筑質量。在此過程中一期預埋插筋或者預埋鋼板材質、布置間距、錨固力的選擇都應結合軌道、鋼襯砌、二期混凝土在滲透水壓的作用下的荷載工況組合來確定。

6 結語

據以往的工程設計實踐中認識到高水頭事故閘門門槽軌道及鋼襯砌可能受到滲透水壓力的作用，并分析不同止水方向的閘門軌道及鋼襯砌所承受的滲透水壓力的產生的原因、作用型式和作用特點；根據滲透水壓力產生的原因提出了減小滲透壓力的方法，并對門槽軌道及鋼襯砌結構設計和安裝錨固設計荷載為什么要考慮滲透水壓力進行了闡述。以上對高水頭事故閘門門槽軌道及鋼襯砌強度設計和安裝錨固設計思路的一點思考，希望能給同行設計閘門埋件時提供一點借鑒，如有不到之處敬請原諒。