水利工程建筑结构设计浅析

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【摘要】本文依托“中部移民”的工程实例，就工程特点，结构设计思路、主要节点设计等方面进行介绍，形成操作性强的设计概要。中部移民闸室工程区域跨度大，精度要求高，建筑风格虽然统一，却使用功能不尽相同。因此在闸室结构设计过程中，需要和诸多专业配合进行综合分析，可谓是“麻雀虽小五脏俱全”。结构专业作为整个施工图设计周期的末端专业，应从每个闸室的建设地点、渠道水流方向、门槽中心线定位、启闭机的类型、建筑立面等多角度考虑。通过一闸一设计，实现水利工程建筑的精准、美观、实用。

【关键词】地震加速度值；闸室定位；起吊孔；楼面活载

甘肃中部生态移民扶贫开发供水工程位于白银市靖远县北部及平川区境内，工程任务以高效农业灌溉为主，兼顾农村人饮供水，为区域巩固脱贫攻坚成果和扶贫产业发展提供水资源支撑和保障，为区域易地搬迁安置和生态环境修复创造条件。本工程初步确定的建设内容包括总干渠1条，长28.684km；干渠3条，长108.426km；分干渠4条，长43.318km；支干渠1条（现状利用），长5.4km；支渠（分支）29条，总长126.571km。在渠道的新建、改造过程中需设置尺寸不同、功能各异的闸室约50多座，肩负着百余孔闸门的起落，在运行期为开展节水型社会的建设发挥不可替代作用。因此在结构设计过程中需要和地勘、金结、建筑、水工等专业反复沟通，完善节点设计。下面将闸室上部结构的设计过程中需要控制的关键点进行概述，并对提出相应的解决方案。

1核查闸室的建设地点，确定计算参数

本工程供水范围为白银市的靖远县5乡镇和平川区5乡镇约99个村。工程区分布在陇西黄土高原的北部，总体属基岩低中山区和黄土低中山梁峁区。供水工程线路长，跨越了不同的地震带，虽然每个闸室体型相似，但坐落于不同的乡镇，抗震参数就不一定相同。经过查阅《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(2016年版)、《中国地震动参数区划图》GB18306-2015，白银市境内各地的抗震设防烈度和设计基本地震加速度值不尽相同，最终会影响建筑结构的地震影响系数的选用。不仅如此，也会遇到个别项目由于建设地点更改，建筑物的基本风压和基本雪压的取值也要做相应调整。因此在闸室的结构设计前，首先应核查每个闸室的建设地点，采用准确的抗震计算参数及抗震设防措施。通过合理的结构计算，每个闸室的设计成果才是既安全可靠，又经济环保。虽然闸墩的设计和地基处理方案由水工专业负责，但是遇到下部为多个独立闸墩上部为连体闸室的建筑物，结构专业应对特殊情况特殊对待。首先根据地质情况判断连体闸室是否适合整体计算：（1）若闸墩持力层为不发生沉降、液化的稳定地层，如基岩、冲洪积砂砾石，连体闸室可进行整体建模计算；（2）若闸墩下伏土层中夹粉土和砂砾石透镜体或着为轻微湿陷性黄土，在闸墩地基按照地基处理规范进行地基处理，且建设场地加强了地表排水措施的前提下，连体闸室仍然可以进行整体建模计算；（3）若闸墩位于大厚度湿陷性黄土地区，连体闸室就得考虑设沉降缝进行分段建模计算。因为在黄土高原地区湿陷性土层大多超过20m，地基处理厚度无法完全消除剩余湿陷量，通过相应的地基处理措施（如复合地基、增设土工格栅等）闸墩不会发生严重的沉降破坏，但是如果上部连体闸室为整体结构，轻微地基沉降都可能发生严重的拉裂破坏。因此结构专业应根据地质断面核查闸墩的地基处理方式能否完全消除剩余湿陷量，再确定结构设计的方案。

2区分启闭机类型，初步设定闸室的平面尺寸

中部移民工程的闸室内设3种启闭机，分别为台车、固卷、螺杆启闭机。每种启闭机的运行特点各不相同，在结构设计前考虑的关键点也存在着区别，例如金结专业若采用台车，结构专业应沿着台车的运行轨迹准确布置移动荷载；金结专业采用固卷启闭机，结构专业应根据预埋件的位置合理布置主次梁位置,并根据启闭机重量在屋面梁上设置吊环；金结专业若采用螺杆启闭机，结构专业应分析各种定位线的相对关系，准确布置起吊孔在楼面板和屋面板的位置。中部移民工程采用螺杆启闭机的闸室较多，本文针对此种情况对某闸室进行分析。根据金结专业提供的互提资料（附图1）提取有用信息，并对关键节点提出建议：（1）渠道水流方向为从左向右，闸门的起吊中心线在门槽中心线的上游侧，并且有一定的间距；（2）渠道中心线和孔口中心线重合；闸门起吊点和起吊孔的中心重合。起吊孔的中心在起吊中心线上，扁宽梁的中线为起吊中心线。闸门起吊点距孔口中心线距离相等。（3）设备层需预留起吊孔，屋面板需预留螺杆出屋面的孔，混凝土浇筑时可预埋内直径180mm的套管。（4）起吊孔宜布置在扁宽梁上，扁宽梁跨度方向应顺着预埋钢板的长向布置。扁宽梁的宽度、高度应根据预埋钢板的平面尺寸、厚度、锚筋根数和间距等构造要求确定，可参照《混凝土结构设计规范》（2015版）GB50010-2010第9.7条要求设计。（5）根据图中标注的吊点距墙边最小距离≥950mm，可初步设定闸室的最小平面尺寸。最终平面尺寸由建筑专业根据相关规定及实际情况确定。（6）因为设备运输和安装具有不确定性，建议设备层楼面、悬挑走道板的活荷载标准值取5KN/m2。施工图中应注明：设备安装时，应尽可能置设备于就位附近的梁上，严禁将设备置于悬挑板上。（7）启闭机检修时，必须在楼板上铺垫枕木，不得直接将设备坐落于混凝土楼板上，防止设备对楼板的冲撞。

3满足建筑平、立面要求，确定结构方案

经过建筑专业对闸室的平、立面细化设计，可基本确定闸室的结构设计方案。（1）闸室的安全运行关系着渠道灌溉，且设备层下部的闸门检修区域不得遮挡，因此宜采用抗震性能较好的框架结构；（2）结构专业核算启闭机下的扁梁高度，且梁下净尺寸应满足金结专业要求，最终由建筑专业确定闸室层高。（3）结构构件的布置应尽可能满足建筑立面的要求，宜突出施工便捷、美观实用、节能环保的设计理念，例如立面的纵横线条多数是由梁、柱突出墙面实现的。若经过计算必需增大结构构件尺寸，应及时反馈给建筑专业调整方案，修改立面线条宽度。（4）通过建筑平面确定闸室钢梯的起步位置，结构专业应设置独立的钢梯基础或在闸墩上设悬挑梁作为钢梯基础，避免地基发生不均匀沉降而导致钢梯失稳。钢梯基础的平面布置应考虑钢梯预埋件的尺寸和位置。具体尺寸与建筑专业所选的钢梯型号、角度有关，可参照《15J401》设计。

4核对闸室与闸墩的相对位置，精准定位

在闸室设计过程中，闸室的定位至关重要。如果闸室与闸墩定位错误会导致启闭机无法正常起吊，造成严重的质量事故。各专业在各自施工图中都有自己定位线且标注重点不同（附图1、附图2），结构设计过程中必须核对各专业定位线是否统一。以下几点应仔细确认：（1）各专业必须在施工图中明确渠道的水流方向，否则会导致施工图表达模糊发生歧义，造成施工错误；（2）各专业在施工图上标注的渠道中心线、门槽中心线至闸墩上游桩号的相对距离必须一致，否则会导致上部结构和闸墩错位，造成启闭机无法正常运行；（3）起吊中心线一定在门槽中心线的上游侧，在布置起吊孔和扁宽梁时要再次核对；（4）若闸室的建筑轴线超出闸墩边线，说明闸墩平面尺寸不满足闸室框架柱的嵌固、锚固要求。结构专业应及时向水工专业提供框架柱的相对位置及框架柱的纵向钢筋直径，要求水工专业采取措施。通过设计中部移民项目的闸室，水工专业采取了在闸墩边局部增设设牛腿的方法，有效解决了闸室框架柱的嵌固、锚固问题。牛腿高度设置需满足闸室框架柱纵向钢筋锚固的直段要求，柱纵向钢筋伸入基础直段≥0.6labE且≥20d，可参照图集《16G101-3》第65页设计。

5结语

本工程旨在发展高效节水农业、优化用水结构和经济结构。渠道设计时每段的流量控制需因地制宜，闸室的规模也不能生搬硬套，闸室虽小，却是灌区大动脉上重要节点。设计人员应端正工作态度，在设计过程中秉承工匠精神从多角度考虑，一丝不苟的对相关设计信息精准分析。参与项目的各专业设计人员要反复沟通精确调整，做到既不冒险设计，也不过渡设计。本文所述的闸室结构设计概要对水利工程的一般闸室具有建设性意见，可从技术角度保障工程质量，提高设计精度，节约施工成本。近几年，国家要求高质量发展水利工程，美丽乡村的生态建设理念也深得民心。传统的闸室和水利建筑造型已无法与高质量的现代化水利工程相匹配。我们今后的水利建筑设计要响应乡村振兴的战略，给水利配套建筑赋予或古典秀丽或现代刚毅的性格，把“严谨、求实、团结、奋进”的水利精神通过一条条输水干线传递到中华大地的每个角落。

作者:王福鹏 单位:甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司