老撾東薩宏水電站進水口混凝土疊梁門的設計與施工

杜靜俠，方 超

（中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 611830）

1 引言

老撾東薩宏水電站位于老撾南部占巴塞省，距離上游巴色市約160 km，距離老撾首都萬象約832 km，距離柬埔寨首都金邊450 km。工程采用無壩明渠引水結構，引水明渠長5 km，水頭約25 m。電站裝設4臺貫流式機組，單機引水流量400 m3/s，總裝機260 MW(4×65 MW)，該電站采用的貫流式機組的單機容量目前為亞洲第一，世界第二，電站年平均發電量約21億kW·h。

2 混凝土疊梁門方案研究

本工程4臺機組進水口僅設置1套共用檢修疊梁門，要實現首臺機組發電，另外3臺機組均需具備發電調試條件。而工地現場實際進度是3號、4號機組尚不具備發電調試條件，故調整施工方案，對3號、4號機組進水口及尾水采取臨時封堵擋水，確保首臺機組如期發電。為此，必須增加1套臨時性的進水口疊梁門（3號機組進水口采用永久鋼結構疊梁門封堵，4號機組進水口需增加1套疊梁門封堵，尾水閘門全部安裝完畢）。針對該情況，提出了2種方案：

（1）重新采購1套鋼結構疊梁門。優點是技術方案可靠成熟，國內有成熟的制造廠家（永久疊梁門原廠）。缺點是從合同簽訂到產品交貨至現場最快需要半年，工期上無法滿足要求。同時，依據第一次采購價費用近90萬美元，成本較高。

（2）現場制作混凝土疊梁門。優點是所需原材料（鋼筋，混凝土等）、人員、設備現場具備，制作工期、質量、成本可控。缺點是，工程實例不多，無成熟設計方案，設計考慮因素復雜，有一定風險。

通過方案綜合比較，最終確定采用混凝土疊梁門方案。

3 混凝土疊梁門設計

3.1 混凝土疊梁門設計參數選定

設計基本參數數據：設計洪水位高程為EL75.9 m (P=0.1%)，進水口疊梁門底檻高程為EL33.7 m，閘門槽孔口尺寸為15.36 m×17.77 m（寬×高），頂部門楣下緣到底檻的高度為h=17.767 m，閘門孔口凈寬15.36 m，門槽凈寬1.24 m。設計的永久鋼結構疊梁門門葉寬度為16.69 m，閘門槽總寬度為16.90 m，門葉與門槽兩端的間隙為0.105 m，設計支撐跨度為16.06 m。鋼疊梁門設計總高度為17.98 m，6扇疊為一體(5×3+2.98=17.98 m)，單葉最大重量60 t。

根據鋼疊梁門的結構型式、吊點位置及單葉重量情況，混凝土疊梁門設計采用類似結構布置，盡量保證與進水口門機吊裝相匹配。混凝土疊梁門設計長度為16.40 m，與門槽兩端間隙距離分別為0.25 m，沿水深方向梁寬設計高度為1 m，沿水流方向梁高設計為2 m。疊梁門兩個端頭為矩形斷面(寬×高=1 m×1 m），跨中為工字形斷面(寬×高=1 m×2 m），以減小疊梁門的自重，單葉重量控制在60 t以內。單根疊梁門（變截面梁）的尺寸為：長×寬×高=16.4 m×1 m×2 m(1 m)。因閘門孔凈高17.77 m，疊梁門設計總高度按18 m考慮，超高0.23 m。

疊梁門選用C40混凝土，混凝土彎曲抗壓強度設計值fcm為19.0 MPa，梁有效高度為188 cm，混凝土軸心抗壓強度設計值為16.7 MPa；Ⅲ級鋼筋抗拉強度設計值為360 MPa、I級鋼筋抗拉強度設計值為210 MPa，結構系數取1.2；疊梁門按一級建筑設計，其重要性系數ψ取1.1。

3.2 混凝土疊梁門受力計算

（1）水壓力

將疊梁門分成上、中、下三部分各六塊進行水壓力計算：水深分別為h1、h2、h3=30.2 m、36.2 m、42.2 m。計算水壓力分別為：q1=ρgh1=10×30.2=302 kN/m2；q2=ρgh2= 362 kN/m2；q3=ρgh3= 422 kN/m2。

（2）梁計算跨度L0

取計算的小值作為結構受力的跨度計算值，即L0=15.75 m。

（3） 梁受力計算

疊梁門的受力分析簡圖見圖1：

圖1 疊梁門工作受力計算簡圖

1）彎矩M計算

其公式為：M=ψql2/8

注：ψ—為重要系數，取值1.1；q—為梁上所受均布荷載；l—為梁的計算跨度。

2）剪力ν計算

其公式為：ν=ψql/2

3.3 疊梁門配筋計算

3.3.1 6根梁配筋計算

公式：as=γdM/(fcmbh02)

注：γd——結構系數，取值1.2，M—為彎矩，fcm―為砼彎曲抗壓強度設計值，b—為梁寬，h0—為梁的有效高度。

注：ζ—相對受壓區高度，as—截面抵抗矩系數

Ⅲ級鋼筋計算面積如下：

選配25根Φ32鋼筋及1根Φ20鋼筋，實配面積As實=25×π×162+π×102=20 420.4 mm2＞As

同理，中部6根梁配筋計算結果：選配31根Φ32鋼筋及1根Φ16鋼筋。

下部6根梁配筋計算結果：選配37根Φ32鋼筋及1根Φ20鋼筋。

3.3.2 受壓區配筋計算

根據GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》規定梁的最小配筋率0.2%，受壓區面積為1 m2，配筋率≥0.2%×1 m2= 2 000 mm2，擬取值As=2 200 mm2。

選配7根Φ20鋼筋，實配面積As實=7×π×102=7×314.16=2 200 mm2=As

3.3.3 斜截面配筋計算

（1）兩端截面箍筋計算(寬×高=1 m×1 m)，鋼筋按Ⅲ級鋼計算。

1）箍筋計算

ν=2 616.1{3 135.8；3 655.6}kN≥0.07fcmbh0=0.07×19×1 000×900/1 000=1 197 kN

由于截面尺寸(寬×高=1 m×1 m)不能滿足抗剪要求，需進行設計箍筋配置。

箍筋選用Φ14按15 cm(跨中按20 cm)布置，每 個斷面5個箍筋，則每米長度內箍筋的面積為Asv=5×6.67×2×π×72=10 314 mm2≥5 395{7 108；8 811}mm2

Psv＞ρsvmin滿足配筋要求，因此梁中間段截面全按Φ14@200 mm進行箍筋布置。

2）彎起鋼筋校核

剪跨比為λ=L0/h0=15.75/1.88=8.38，h0/b=1.88/1 = 1.88

0.25fcbh0=0.25×19×1 000×1 880=8 930 000 N =8 930 kN＞ν，截面滿足要求。

是否需配置彎起鋼筋校核：

γdV=1.2V=1.2×2 616.1(3 135.8，3 655.6) =3 139.3(3 763，4 386.7)kN＞νcs，應 配 抗 剪 彎 起鋼筋。

采用Φ32做彎起鋼筋，單根Φ32面積為804.25 mm2，上、中、下三部分疊梁門彎起鋼筋布置：6根、9根、12根，即能滿足抗剪要求。彎起鋼筋的面積為As實=4 825.5 mm2、7 238.3 mm2、9 651 mm2。

彎起鋼筋配筋的起點離支座邊緣距離為：0.195+1-0.05-0.05=1.095 m

該截面的剪力設計值為：2 616.1(3 135.8，3 655.6) ×6.7/7.8=2 247.2(2 693.6，3140.1)kN

＞νcs/γd=2 025.5/1.2=1 687.92 kN，因此需要配第二排彎起鋼筋。

第二排采用Φ32彎起鋼筋，上、中、下三部分疊梁門彎起鋼筋布置：4根、6根、12根，即能滿足抗剪要求。第二排彎起筋的起點離支座邊緣距離為：0.195+1-0.05-0.05+1.13-0.1=2.225 m。

該截面的剪力設計值為：1 868.2(2 210.9，2 867.8)kN ＞νcs/γd=1 687.92 kN，需要配第三排彎起筋。

第三排采用Φ32彎起鋼筋，上、中、下三部分疊梁門彎起鋼筋布置：2根、4根、7根，即能滿足抗剪要求。第三排彎起筋的起點離支座距離為：0.195+1-0.05-0.05+1.13-0.1+1.78-0.1=3.905 m。

該截面的剪力設計值為：2 616.1(3 135.8，3 655.6) ×3.89/7.8=1 304.7(1 544.1 , 2 002.9)kN

νcs/γd=2 025.5/1.2=1 687.92 kN，因此只需下部6根疊梁需配第四排彎起鋼筋。

Asv=(γdV-νcs)/fysin45°=(2 002.9×1.2-2 025.5)/ (360×sin45)×103=1 485.1 mm2

下部6根疊梁門的第四排彎起鋼筋采用Φ32，彎起鋼筋2根，滿足抗剪要求。As實=1 608.5 mm2。

（2）支座兩端及漸變段截面箍筋計算(寬×高=1 m×1 m)

3.3.4 吊裝配筋設計

（1）吊點確定

混凝土疊梁門吊點位置參照永久鋼閘門設計吊點，吊點順水流方向根據混凝土疊梁斷面的慣性中心計算確定重心位置。安裝吊點位置設在疊梁腹板的加筋肋板上，與永久鋼閘門的設計吊點對應，以減少壩頂雙向門機安裝時吊具縱向位置調整工作量，吊點位置距疊梁兩端距離3.03 m。見圖2：

圖2 混凝土疊梁體型圖

（2）梁下部鋼筋配筋計算

主要計算梁配筋是否滿足起吊梁自重產生的內力要求。

1）受力分析

按兩端懸臂簡支梁進行計算，梁荷載主要為自重G。

疊梁外輪廓面積S=28.865 m2，每根疊梁的外輪廓的總體積V0=28.865 m3。上下游兩側共8個標準凹槽體積為V1=4.677 6 m3。兩端異形斷面凹槽部位體積V2=0.85 m3。鋼筋混凝土密度按ρ=2 kN/m3考慮。單根疊梁體積V=V0-V1-V2=23.337 m3。

G=25×23.337=583.425 kN＜60 t。滿足啟閉機吊重要求。計算時按吊重60 t進行配筋計算。

混凝土疊梁起吊計算受力見圖3：

圖3 混凝土疊梁起吊計算受力簡圖

2）配筋計算 (起吊時梁斷面 寬×高=2 m×1 m)

實配2根Φ28，As實=2×615.75=1 231.5 mm2＞As=1 009.75 mm2，滿足要求。

3.4 進水口混凝土疊梁門吊點重心計算

（1）根據疊梁對稱性，只計算順水流方向疊梁重心到下游背水面距離，假設距離為x。按力矩平衡原則計算確定未知變量x值。

計算重心線下游側力矩Ma，計算重心線上游側力矩Mb，計算配筋產生的力矩Mc，根據力矩平衡原則Ma+Mc=Mb，解得：x=0.85 m

（2）吊點結構設計：由于混凝土疊梁拆除時上游最大水深達42 m，若采用潛水員水下作業系鋼絲繩掛鉤進行吊裝拆除，安全危險性大，拆除費用高。因此對疊梁的吊點進行了專門設計，采用與鋼結構疊梁門同樣的預埋對中套管，便于進水口雙向門機自動穿銷吊裝。

3.5 壓力試驗檢測

為檢測混凝土疊梁的配筋設計是否滿足在進水口疊梁封堵狀態下承受的水壓力，現場預制1根混凝土疊梁，在承受相當于實際水壓力狀下進行模擬試驗，檢測在試驗壓力作用下疊梁的變形情況。

最大水壓力在跨中產生的彎矩：M3=ψql2/8 =1.1×422×15.752/8=1 4393.83 kN/m；相當于跨中集中荷載F=4M3/L=3 655.6 kN。

采用液壓千斤頂對迎水面的疊梁進行施壓，分段進行加壓測試，觀測并記錄疊梁受力變形情況。

選擇1臺液壓電動油泵，電動油泵與頂升千斤頂通過油管并聯，油泵以輸出壓力為控制參數，當測試壓力達到設計壓力值時保持壓力不變進行觀測記錄。

3.6 進水口混凝土疊梁門止水設計

進水口疊梁門止水設計采用2種布置型式：

（1）在混凝土疊梁背水面兩端與門槽導軌接觸部位嵌入止水密封條，主要靠水壓力作用壓縮密封條進行止水。預制過程中在混凝土疊梁兩端預埋鋼板及螺栓，安裝止水前將預埋件表面污物清理干凈，并進行除銹防腐，安裝密封條必須均勻壓緊。

（2）止水條布置在上下兩層疊梁之間，主要靠疊梁自重壓縮密封條進行止水。預埋件施工及密封條安裝類似于疊梁兩端止水施工工藝。

特別注意的是，最底層的疊梁的止水需在疊梁的上下兩面都安裝密封條，防止疊梁最底部與進水口底板之間滲漏水。安裝疊梁門時，在疊梁兩端與門槽之間的空腔里回填高塑性粘土，塑性粘土迎水面采用兩布一膜(即兩層土工布夾一層土工膜)進行防水，從而增加滲徑長度，減少因疊梁安裝誤差的滲水量。塑性粘土的回填隨著疊梁的安裝逐層填筑，壓實度不低于95%。

4 實施措施

4.1 現場制造措施

場地準備：18根疊梁分成6組，每組3根，疊梁尺寸16.52 m×1 m×2 m，需制作場地25 m×60 m =1 500 m2，對場地進行壓實，初步找平，并進行壓實度測量。

疊梁預制：在預制位置間隔500 mm布置相應數量的工字鋼，調平，確保整體水平偏差在5 mm范圍內，在工字鋼上鋪底層模板，模板上綁扎鋼筋。3根疊梁一組，準備3套模板，同時綁扎鋼筋，澆筑混凝土，需要18 d，6組（18根）疊梁共需108 d，每根疊梁養護28 d，確保強度。共計136 d，即可使用。

4.2 安裝吊裝措施

由于單根疊梁全長達16.52 m，重量近達60 t，采用130 t汽車吊及18 m液壓板車進行裝車運輸，同時對道路進行檢查修整，要求上壩道路坡度不大于5%，轉彎半徑（內徑）不小于20 m，且道路寬度不小于6.5 m。疊梁運輸至壩頂后，由壩頂雙向門機（2×80 t）吊裝就位。

4.3 拆除運輸措施

由于單根疊梁全長達16.52 m，重量近達60 t，為保證封堵門拆除后運輸安全，需對疊梁破解后裝運撤離現場。破解時采用液壓錘將疊梁均勻分成4段搗斷，煤氣割槍將鋼筋熔斷后分塊裝車運到指定卸料場堆存處理。同時要防止混凝土塊掉落入進水口里，施工中采用鋼板墊在疊梁底部，每破解拆完運走1根疊梁后，及時將鋼墊板上留下的混凝土碎塊清理干凈。

5 技術經濟比較

混凝土臨時疊梁門與鋼結構疊梁門的施工技術比較如下：

優點：①混凝土結構材料成本低，材料費遠低于鋼結構。②混凝土結構施工成本低，現場施工容易，可在制作場地澆筑；鋼制疊梁門需要專業制作廠，且需要跨國運輸，成本高昂。③混凝土疊梁運輸成本低，拆除簡單易行，可以現場分解后分段運輸，就地處理。

難點：①混凝土疊梁的止水安裝及密封比鋼結構困難，施工時要求更加精細與認真。②拆除時在分解疊梁時避免碎塊掉入進水口底部，影響機組運行安全。在破碎時需對進水口孔口遮蓋。

經過經濟比較分析，混凝土疊梁門方案約花費人民幣3 060 935元，增加1套鋼結構疊梁門將花費人民幣6 418 688元。采用預制混凝土疊梁門方法具有明顯的經濟效果，比鋼結構疊梁門可節約人民幣3 357 753元。

6 結語

通過本工程的實際實施，證明采用混凝土疊梁門方案可行。技術上很好的解決了老撾東薩宏項目面臨的工期難題，實現了項目的完美履約；經濟上效果明顯，相對于常規趕工、搶工帶來的額外成本投入大幅降低，得到業主方的高度認可。同時此方案也創新性地把金結閘門與土建混凝土閘門做了一個技術上的連接，為后續的其他類似工程提供了一個全新的解決思路。