西北某水库进水塔除险加固设计
时间：2022-12-04 12:20:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张健君
（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，兰州 730000）
甘肃省通渭县锦屏水库位于渭河支流散渡河上游的牛谷河上，距离下游通渭县城16 km。水库总库容1.2×107m3，工程规模为中型Ⅲ等工程。水库主要由黏土心墙大坝、输水泄洪洞、非常溢洪道、管理房及水库自动化调度中心站等部分组成。水库始建于20世纪50年代，其间经历多次改扩建及维修加固。本次除险加固工程的建设任务之一是更换输水泄洪洞进水塔闸门启闭机，相应改建启闭机闸房。
输水泄洪洞进水口为岸塔式，进水塔下部闸室为3孔流道，均设检修门和工作门。3个流道经过渐变段汇集后下接输水泄洪洞。闸室上部现为筒体结构，内设横水流方向的中隔墙，将筒体内部分隔为检修门和工作门的运行和检修空间。筒体顶部为启闭机闸房。进水塔与岸坡路间设简易人行桥，启闭机闸房外有外挑走道板。
改建过程维持结构原启闭机层高程。筒体结构顶部拆除高度1.5 m，附带拆除重建上部闸房、启闭机层板梁及周边相关联钢筋混凝土楼梯。换装闸门后，按照更新的启闭机尺寸重新浇筑梁板结构，向上重建闸房。进水塔启闭机房的重建施工图设计任务涉及金属结构和电气设备选型及安装、建筑结构设计、现场施工组织等，具有一定的综合性，本次对结构设计进行介绍。
改建前的进水塔建于20世纪70年代。混凝土强度等级较低，结构设计较为单薄，而且运行至今，结构强度相比新建结构较差。拆除重建的设计重点是保证结构承载力，满足设备运行管理要求。
结构的基本布置条件为：筒体结构外壁顺水流方向长度为9.6 m，横水流方向宽11.2 m，上游侧为弧形面，外筒体厚度为0.6 m，中隔墙厚0.5 m。承重梁两端整体浇筑在中隔墙与筒体下游侧，平面空间布置为筒体的短距方向。工作门启闭机梁以及检修门启闭机梁按照设备的向下传力点确定，检修门启闭机梁两端浇筑在中隔墙和外筒体上，并与起吊孔口尺寸协调。
进水塔的闸门启闭状态按照水库的运行要求，可以分为几个典型状态：蓄水状态、通水状态、检修状态、偶然状态。蓄水状态下，3个流道的检修门提升至检修平台锁定安置，工作门下闸关闭，启闭机不输出提升力，启闭机层板梁荷载最小。通水状态可以有单流道、双流道、三流道过流。检修门均锁定至检修平台，工作门按照过流通道提升。启闭机层板梁承担的最大荷载为三通道同时过流状态的三道工作门提升力，一般情况为小开度提升中间位置工作门适当下放水量即可，双流道和三流道过流的状态很少出现。检修状态下，3个检修门均关闭，3个工作门提升，进行门槽及闸门检修，启闭机层板梁的最大荷载为三道工作门的提升力。偶然状态，检修门及工作门均提升，启闭机板梁承担六道闸门的提升力。正常的闸门开启方式不会出现此种情况，属于假想的极限荷载状态。本次设计以偶然状态为计算内力的控制工况。
主体结构的设计思路为：重建结构宜按照强梁设计的思路进行。要求适当增大主梁高度，提高弯矩承载力，减小挠度，把梁端变形对筒体结构的影响降到最小。施工期和后期运行过程中，结构最薄弱的位置为新旧结构衔接的冷缝结合面。从结构承载力的角度分析，结合面位置只能竖向受压，不能承受剪力和弯矩[1]。重建后的筒体、板梁浇筑为整体，内部梁系承载启闭机自重及起吊闸门荷载产生的弯矩值和剪力，结合面上只承担竖向压力。结构起吊力加载位置及结构纵剖面图如图1所示。重建梁系结构按网格梁结构计算内力协调条件与变形协调条件，手工计算工作量较大。采用工程设计常用的结构工具箱软件与PKPM软件计算结果比较确定钢筋规格与布置形式。
图1 启闭机层重建结构纵剖面图
初次拟定的梁系结构截面尺寸为：承重梁（梁1），跨净距5.1 m、宽0.4 m、高0.8 m，工作门启闭机梁（梁2），最大跨净距3.2 m、宽0.3 m、高0.6 m，检修门启闭机梁（梁3），最大跨净距2.8 m、宽0.3 m、高0.6 m。新建结构按照水利行业的标准采用C30钢筋混凝土。
计算荷载为结构自重，控制工况的闸门提升力和启闭机层楼面均布荷载，工程区地震基本烈度为Ⅷ度。初次计算承重梁的纵向受力钢筋配置为11根HRB400级钢筋，直径28 mm，钢筋间距太小，不易保证混凝土浇筑质量。二次试算将承重梁截面尺寸调整为宽500 mm，高1 000 mm。重新计算的选筋结果为9根直径28 mm的钢筋，采用下5上4的方式双层布设，钢筋间距满足和规范要求。
经过对荷载、结构尺寸复核，计算结果比选和分析，以及参考类似结构设计成果，确定重建梁系解结构的布置为：承重梁（梁1），跨净距5.1 m，宽0.5 m，高1.0 m，工作门启闭机梁（梁2），最大跨净距3.2 m，宽0.3 m，高0.6 m，检修门启闭机梁（梁3），最大跨净距2.8 m，宽0.3 m，高0.6 m。
结构及配筋的一般要求为：梁系结构主要承担提升闸门的起吊力引起的弯矩和剪力。纵向受拉钢筋和弯起钢筋抵抗跨中弯矩，弯起钢筋和箍筋抵抗梁端剪力[2]。根据计算的正截面配筋率实际选配纵向受力钢筋。外筒体和中隔墙坐落在混凝土拆除面上，控制性内力是梁端弯矩引起的扭矩。钢筋以纵向直筋和横向箍筋增强外筒体的整体抗扭能力。
筒体和梁系的钢筋布置形式是保证结构强度的重要措施。结构钢筋制作与安装以计算配筋结果为依据，补充构造措施。计算结果及选筋结果见表1。纵筋的配筋率为0.44%，梁端纵筋的配筋率为1.1%，梁板结构平均含筋量为178 kg/m3。一般新建进水塔塔身垂直方向为受力主筋，水平方向为分布筋，构成面层钢筋。启闭机层重建结构外筒钢筋水平向为受力通长钢筋，横向为抗扭箍筋，均为受力钢筋。
表1 梁系结构弯矩及正截面配筋成果表
启闭机层闸房楼板，最大跨度3.2 m，按照双向板布置双层钢筋，外挑板布设面层受拉钢筋。启闭机层板的起吊孔开口位置四角布设加强钢筋，梁系结构与外筒交接接位置和梁系结构之间的交叉位置，均按45°或30°与梁纵向钢筋的夹角水平布设抗剪加强钢筋。
启闭机层上部闸房结构：闸房柱位置选定在外筒转角处及外筒与中隔墙丁字相交位置，共布置6根柱脚，截面尺寸600 mm×600 mm。柱顶梁系结构按照启闭机设备的位置布置。
进水塔筒体内原有的内部通道为：检修工作门的钢筋混凝土楼梯，检修门的预埋钢筋钢爬梯。重建结构需要恢复通行功能。钢筋混凝土楼梯拆除后，原样恢复设计的楼梯与现场拆除的位置很难对接，采用制式钢梯衔接拆除后的楼梯平台与启闭机层下人孔位置[3]。检修门的预埋钢筋钢爬梯恢复埋设，与原位置对接。
筒体外侧设有1.5 m宽的外挑走道板，钢栏杆防护，满足巡视功能和建筑美化作用。
筒体的新旧混凝土衔接位置接缝补强措施。原筒体和中隔墙拆除高程以上，拆除过程保留长0.5 m的竖向受力钢筋，与新建结构的钢筋骨架焊接成整体。接触面筒体轴线位置采取植钢筋措施。植钢筋规格为HRB400级钢筋，直径25 mm，植筋间距0.5 m，梅花形布置，植钢筋锚孔深度1.0 m，孔内灌注结构胶，接触面外预留1.0 m浇筑到新混凝土中。拆除面凿毛后清理干净。
启闭机层与库边公路原有人行交通桥连接。桥端搭接在独立桥墩上，交通桥与启闭机层的结构相互独立。本次除险加固没有对交通桥的维修任务。进水塔的拆除及重建过程不能扰动交通桥结构。
水利行业现阶段普遍进行各类除险加固工程建设任务，涉及许多老旧结构需要拆除重建。本次对锦屏水库输水泄洪洞进水塔的启闭机闸房的拆除重建设计任务，整体设计过程的前期资料掌握，明确工程任务，设计重点分析，结构布置、配筋设计，以及功能性设计，相关设计参数和思路对类似工程可以酌情借鉴。
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