溪仔口水電站泄水閘閘墩結(jié)構(gòu)復(fù)核分析

鄧曉娟

（福建安瀾水利水電勘察設(shè)計(jì)院有限公司,福建 龍巖 364000）

泄洪建筑物是水電站中的重要組成部分,泄水閘是泄洪建筑物中的常見型式。為調(diào)節(jié)水庫蓄水量和下泄流量,水電站中的泄水閘設(shè)有閘門,而泄水閘孔兩側(cè)的閘墩就成為支撐閘門及啟閉設(shè)備、分隔孔口、泄洪導(dǎo)流的重要結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的安全性是保障水電站安全有效運(yùn)行的關(guān)鍵[1-2]。材料力學(xué)法是水閘設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定采用的計(jì)算方法,該方法有長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和多年的工程實(shí)踐證明,應(yīng)用此方法并按規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行水閘設(shè)計(jì)或復(fù)核,可以保證工程的安全[3-4]。但閘室存在著閘墩較高、基礎(chǔ)復(fù)雜等特點(diǎn),傳統(tǒng)材料力學(xué)法對(duì)邊界條件考慮簡單,無法準(zhǔn)確描述閘墩關(guān)鍵部位的受力和變形情況[5],因此需要在傳統(tǒng)計(jì)算方法外輔以三維有限元方法進(jìn)行校核補(bǔ)充。本文針對(duì)福建省溪仔口水電站泄水閘閘墩結(jié)構(gòu),采用材料力學(xué)法和三維有限元法在閘墩處于最不利工況下進(jìn)行靜力計(jì)算分析。

1 工程概況

溪仔口水電站泄水閘壩段布置在河床中部設(shè)7 個(gè)開敞式溢流孔,泄水閘共8 個(gè)閘墩,其中邊墩2 個(gè),中墩6 個(gè),每孔凈寬15.0 m,閘墩厚2.5 m,溢流段總長125.0 m,其工程布置見圖1。溢流堰采用駝峰堰,堰頂高程156.5 m,閘室長29.3 m。溢流堰下游采用底流與面流相結(jié)合的消能方式。河道中部的3#、4#、5#孔為先啟孔,采用底流消能,閘下游設(shè)消力池,池長30.0 m,池深2.0 m；其余4孔為后啟孔,為保護(hù)壩基設(shè)短護(hù)坦,護(hù)坦長度12 m。溢流孔采用弧門擋水,弧門尺寸為15.0 m×11.3 m（寬×高）,半徑1.25 m,由后拉式卷揚(yáng)機(jī)啟閉操作?；￠T前設(shè)疊梁檢修門,由壩頂門機(jī)啟閉。閘室頂設(shè)交通橋和啟閉房,橋面高程為173.0 m。泄水閘底板采用混凝土C20,在上層表面和上下游垂直面配筋,順?biāo)鞣较驗(yàn)椐?6@200,垂直水流方向?yàn)椐?2@300,其底層未配筋。閘底板頂面上游段高程為156.0 m,堰頂高程為156.5 m,下游段為155.0 m,底板上下游分別設(shè)齒槽,底高程均為151.5 m,中間段底面高程為154.0 m, 底板最小厚度為1.5 m；閘墩采用C20 砼,墩頂高程為173.0 m,底高程同閘底板為154.0 m,墩高為19.0 m。

圖1 溪仔口水電站泄水閘工程布置圖

2 材料力學(xué)法計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 計(jì)算斷面及計(jì)算工況

閘墩結(jié)構(gòu)按材料力學(xué)法進(jìn)行計(jì)算時(shí),將閘墩視作固接于閘底板的懸壁梁?？紤]到閘墩順?biāo)鞣较驊T性矩較大,垂直水流方向慣性矩較小,且正常運(yùn)行工況、設(shè)計(jì)洪水工況及校核洪水工況下,中墩左右側(cè)水位相差不大。只有在檢修工況下,中墩一側(cè)工作門擋水、一側(cè)檢修門擋水情況下受側(cè)向水壓力和弧形閘門支鉸側(cè)向推力,故中墩不利工況為檢修工況。

邊墩計(jì)算時(shí)考慮到靠廠房側(cè)止水設(shè)在壩下0-001.500 位置,閘墩下游側(cè)不設(shè)止水。邊墩受力不利工況為正常運(yùn)行工況下,承受弧形閘門支鉸側(cè)向推力及工作門上游側(cè)向水壓力,檢修工況下承受檢修門上游側(cè)向水壓力,由于在正常運(yùn)行工況下邊墩承受側(cè)向壓力最大,故邊墩按正常運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算。

2.2 閘墩彎矩及配筋計(jì)算

閘墩受到總側(cè)向彎矩,考慮由閘墩整體來承擔(dān)。閘墩總側(cè)向彎矩計(jì)算為M=（M1+M2）/L,其中M1為閘墩側(cè)向水壓力產(chǎn)生的彎矩；M2為閘墩弧門支鉸推向閘墩力產(chǎn)生的彎矩；L為閘墩縱向長度。閘墩側(cè)向水壓力計(jì)算為P = YH2/2,其中Y為水的容重,kN/ m3；H為閘墩側(cè)向水頭,m。正常蓄水位工況下弧門支鉸推向閘墩的推力F為1000 kN。經(jīng)過計(jì)算,中墩在檢修工況下,單寬中墩受到側(cè)向彎距M為1196.7 kN·m,按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算,單寬閘墩鋼筋截面積Ag為19.78 cm2,中墩豎向受力鋼筋應(yīng)選用Φ16＠100,其截面積Ag為20.11 cm2,其配筋率為0.08%。原設(shè)計(jì)中墩豎向受力鋼筋為Φ22＠200,其截面積Ag為19.00 cm2,故中墩現(xiàn)有的側(cè)向鋼筋滿足各工況下結(jié)構(gòu)受力要求。

邊墩在正常運(yùn)行工況下,靠泄水閘側(cè)承受弧形閘門支鉸側(cè)向推力及側(cè)向水壓力,單寬邊墩受到側(cè)向彎矩M=1589.4 kN·m,按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算,單寬閘墩鋼筋截面積Ag為26.39 cm2,邊墩靠閘門側(cè)豎向受力鋼筋應(yīng)選用Φ20＠100,其截面積Ag為31.42 cm2,其配筋率為0.128%。邊墩現(xiàn)有的側(cè)向鋼筋為Φ16＠100,其截面積Ag為20.11 cm2,故不滿足正常運(yùn)行工況下閘墩結(jié)構(gòu)受力要求。

按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008）的規(guī)定,閘墩最小配筋率為0.15%,對(duì)應(yīng)單寬閘墩鋼筋截面積Ag為36.75 cm2,當(dāng)中墩及邊墩均選用鋼筋Φ22＠100,其截面積Ag為38.01 cm2時(shí)方能滿足工程要求。

3 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算模型和參數(shù)

為更真實(shí)地計(jì)算閘墩的工作性狀,采用有限元計(jì)算程序ALGOR對(duì)閘墩進(jìn)行數(shù)值模擬。將溪仔口水電站泄水閘閘室作為一個(gè)整體考慮,并根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)方案及所研究問題對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行相應(yīng)簡化,閘室中墩計(jì)算模型見圖3,模擬范圍包括閘墩、牛腿和兩邊的閘壩段,其坐標(biāo)系中x軸為順著河流方向,y軸為壩高垂直向上,z軸為順著壩軸線左岸指向右岸。為保證較精確地模擬,對(duì)地基范圍進(jìn)行延伸,包括向上游延伸35 m、向下游延伸45 m,基巖的底部和上下游側(cè)均為三向全部約束。有限元的基本單元采用六面體網(wǎng)格,其節(jié)點(diǎn)數(shù)為9935個(gè),混凝土單元數(shù)為1346個(gè),地基單元數(shù)為6224個(gè)。計(jì)算模型中的材料參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算模型材料參數(shù)

圖3 閘室中墩計(jì)算模型

3.2 工況與荷載

與上一節(jié)材料力學(xué)法對(duì)應(yīng),采用有限元法進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)同樣考慮最不利工況,相應(yīng)的工況見表2。

基本荷載如下：正常蓄水位167.5 m,荷載有墩自重、支鉸三向作用力和閘墩側(cè)向水壓力。 根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)提供的支鉸受力計(jì)算成果并經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,工作閘門擋水時(shí)靜水狀態(tài)下支鉸側(cè)向力H為1000 kN, 垂直鉸座底面的力N為5708.8 kN,平行鉸座底面的力S為403.3 kN。檢修門上游中墩兩側(cè)都有側(cè)面水壓力,檢修門和工作弧門之間的中墩側(cè)面水壓力由工況來定。

3.3 中墩計(jì)算成果分析

工況一（右側(cè)工作閘門擋水,左側(cè)檢修閘門擋水）變形前模型和變形后模型見圖4,由圖4可見,在右側(cè)支鉸處不對(duì)稱荷載作用下,中墩受力后產(chǎn)生扭曲,閘墩的下游側(cè)偏向左邊,最大位移6.5 mm,位于壩頂?shù)南掠味瞬俊?/p>

圖4 中墩變形前模型和變形后模型（位移擴(kuò)大1000倍）

工況一的中墩最大主應(yīng)力見圖5（a）,最小主應(yīng)力見圖5（b）。由圖可見,牛腿支鉸受力處有應(yīng)力集中現(xiàn)象,牛腿的拉應(yīng)力比附近閘墩的應(yīng)力大幾倍,最大主拉應(yīng)力7.61 MPa,最大主壓應(yīng)力4.22 MPa,都位于牛腿支鉸受力部。閘墩最小主應(yīng)力見圖6,由圖6可見由于中墩受力后產(chǎn)生扭曲,在閘墩左側(cè)下游底部主拉應(yīng)力最大,大小為4.98 MPa,拉應(yīng)力主要是由支鉸的不對(duì)稱作用力造成的。

圖5 中墩工況一主應(yīng)力圖（Pa）（壓應(yīng)力為正）

圖6 閘墩最小主應(yīng)力圖（Pa）（壓應(yīng)力為正）

工況二（中墩兩側(cè)工作閘門擋水）的中墩最大主應(yīng)力見圖7（a）,最小主應(yīng)力見圖7（b）。由圖可見,牛腿支鉸受力處有應(yīng)力集中現(xiàn)象,牛腿的拉應(yīng)力比附近閘墩的應(yīng)力大幾倍,最大主拉應(yīng)力7.49 MPa,最大主壓應(yīng)力4.31 MPa,都位于牛腿支鉸受力部。閘墩最大主拉應(yīng)力在牛腿附近,其值為2.77 MPa。

圖7 中墩工況二主應(yīng)力圖（Pa）（壓應(yīng)力為正）

3.4 邊墩計(jì)算成果

工況一（工作閘門擋水）的邊墩最大主應(yīng)力見圖8（a）,最小主應(yīng)力見圖8（b）。由圖8可見,牛腿支鉸受力處有應(yīng)力集中現(xiàn)象,牛腿的拉應(yīng)力比附近閘墩的應(yīng)力大幾倍,最大主拉應(yīng)力7.60 MPa,最大主壓應(yīng)力4.23 MPa,都位于牛腿支鉸受力部。由于邊墩受力后產(chǎn)生扭曲,在邊墩背水流側(cè)下游底部主拉應(yīng)力最大,大小為4.99 MPa,拉應(yīng)力主要是由支鉸的不對(duì)稱作用力造成的。

圖8 邊墩工況一主應(yīng)力圖（Pa）（壓應(yīng)力為正）

工況二（邊墩泄洪）的邊墩最大主應(yīng)力見圖9（a）,最小主應(yīng)力見圖9（b）。由圖可見,最大主拉應(yīng)力3.42 MPa,位于上游壩踵；最大主壓應(yīng)力1.75 MPa,位于閘底板附近。

圖9 邊墩工況二主應(yīng)力圖（Pa）（壓應(yīng)力為正）

由計(jì)算結(jié)果分析可知閘墩和壩體溢流面相交的底部應(yīng)力相對(duì)較大,閘墩底部的垂直向配筋是配筋的一個(gè)重點(diǎn)。根據(jù)SL 191-2008 的非桿件體系鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算原則進(jìn)行配筋,取閘墩下游端拉應(yīng)力區(qū)計(jì)算,垂直向受力斷面配筋面積為87.90 cm2,建議垂直向受力鋼筋為Φ25@150。由此可見,三維有限元法相比于傳統(tǒng)的材料力學(xué)法,兩者計(jì)算結(jié)果基本接近。

4 結(jié)語

本文主要針對(duì)溢流壩閘墩結(jié)構(gòu),采用材料力學(xué)法和三維有限元法,分別計(jì)算閘墩結(jié)構(gòu)在中墩和邊墩處于最不利工況下的受力分析和配筋計(jì)算。材料力學(xué)法計(jì)算認(rèn)為中墩及邊墩豎向受力鋼筋均應(yīng)選用鋼筋Φ22＠100,而三維有限元法計(jì)算認(rèn)為應(yīng)選用鋼筋Φ25＠150,兩種方法計(jì)算結(jié)果基本接近。原設(shè)計(jì)中閘墩垂直向配筋為Φ16@100,不滿足結(jié)構(gòu)受力要求。