阿爾塔什表孔溢洪洞控制段三維有限元靜力分析

孟 濤,郭榮福，田茂剛，劉 濤

(1.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000；2.新疆水利水電勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

表孔溢洪洞控制段作為整個水利樞紐的重要組成部分，直接影響到溢洪洞的正常工作，對整個樞紐工程的安全運行至關(guān)重要，因此，控制段閘室的安全穩(wěn)定成為溢洪洞設(shè)計的關(guān)鍵[1]。傳統(tǒng)溢洪洞控制段閘室的結(jié)構(gòu)計算方法是將閘室中的各部件分開計算，這種方法簡單便于理解，但是閘室各部位分開計算以后不能反映控制段結(jié)構(gòu)的整體效應(yīng)，傳統(tǒng)方法過于繁瑣。采用大型有限元軟件建立閘室段實體計算模型，對不同的工況分別進行靜力計算，對比分析位移變化趨勢[1- 3]

采用大型有限元軟件對控制段閘室的應(yīng)力、位移、抗滑穩(wěn)定進行了三維有限元分析，為溢洪道閘室結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工提供了理論依據(jù)[4- 6];張元澤基于大型通用有限元軟件ANSYS，建立精細三維有限元模型模擬分析了猴子巖水電站進水口閘室在運行期不同工況作用下的應(yīng)力及變形規(guī)律[7];通過建立進水口塔群三維網(wǎng)格模型，進行阿爾塔什水電站聯(lián)合進水口塔群三維有限元靜動力分析[8]。以上為各類閘室采用的三維有限元計算分析，說明三維計算分析是控制段閘室安全運行的可靠處理手段[9- 11]。為模擬溢洪洞控制段在實際工作中的運行狀態(tài)，需要弄清楚控制段閘室在不同運行工況下的位移變化情況，本文通過三維有限元方法計算，分析計算控制段閘室的整體穩(wěn)定性[12- 16]。

1 工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)南疆喀什地區(qū)莎車縣霍什拉甫鄉(xiāng)和克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣的庫斯拉甫鄉(xiāng)交界處，是葉爾羌河干流山區(qū)下游河段的控制性水利樞紐工程，是葉爾羌河干流梯級規(guī)劃中“兩庫十四級”的第十一個梯級，在保證塔里木河生態(tài)供水條件下，具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用功能。工程區(qū)地震烈度高，基巖裸露，坡高100m，自然坡度30°～40°，巖性為灰?guī)r夾頁巖，巖層走向與洞臉邊坡交角20°，巖層傾向坡外，控制段體積較大，最大高度33m。

表孔溢洪洞位于左岸山體中，設(shè)計洪水位時，表孔溢洪洞單洞泄流量為1984.03m3/s，校核洪水位時，單洞泄流量為2353.54m3/s。溢洪洞由引渠段、控制段、斜井段、平洞段、出口明槽段、出口挑流消能段和出口護坡段等組成?？刂贫稳L40.5m，前10m為獨立的導(dǎo)水墻，導(dǎo)水墻頂高程為1823.69m，控制段閘頂高程1827.000m?？刂贫卧O(shè)開敞式WES堰，堰寬15m，堰頂設(shè)工作弧形閘門一道，閘門尺寸15m×14.5m，工作閘門前設(shè)平板檢修閘門一道，操作平臺上設(shè)閘房?？刂贫尾捎肅30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墻厚2.5m?？刂贫蔚撞炕A(chǔ)固結(jié)灌漿孔間、排距2m，深入基巖4m，Φ25砂漿錨桿間，長4.5m，伸入基巖3.5m?？刂贫蝺蓚?cè)巖體開挖邊坡1∶0.3，沿高程10m高度設(shè)一級馬道，控制段兩側(cè)回填C15素混凝土。溢洪洞控制段現(xiàn)場照片如圖1所示。

圖1 控制段現(xiàn)場照片

2 計算分析模型

2.1 計算工況和方法

控制段結(jié)構(gòu)三維有限元計算分析主要工況：

(1)竣工期工況，控制段與邊坡之間的混凝土回填等均施工完畢，施加金屬結(jié)構(gòu)及塔頂啟閉設(shè)施重量。

(2)正常運用期工況，水庫蓄水至正常蓄水位1820m。

2.2 網(wǎng)格模型

三維有限元網(wǎng)格精確地模擬了表孔溢洪洞控制段結(jié)構(gòu)混凝土和回填混凝土分區(qū)，模擬了基巖和進水口邊坡，使模型中節(jié)點累計約8.594萬個，單元約7.745萬，其中全部單元均是六面體網(wǎng)格，控制段三維整體網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 控制段三維整體網(wǎng)格模型

2.3 計算荷載

本次計算考慮作用在控制段上完建期的荷載有：控制段自重、靜水壓力、浪壓力、揚壓力、金屬結(jié)構(gòu)自重(施加金屬結(jié)構(gòu)及塔頂啟閉設(shè)施重量、弧形閘門荷載)[17- 18]。見表1。

表1 各工況荷載組合

2.4 材料參數(shù)和模型

閘井基礎(chǔ)處在弱風(fēng)化灰?guī)r巖體內(nèi)，基礎(chǔ)承載力標準值1.0～1.2MPa。參考地質(zhì)勘查報告的巖體力學(xué)參數(shù)建議值，確定計算參數(shù)見表2。

表2 料的力學(xué)參數(shù)

3 控制段計算成果分析

根據(jù)規(guī)范要求控制段地基在各種運用情況下均應(yīng)滿足承載力、穩(wěn)定和變形的要求。控制段計算應(yīng)根據(jù)地基情況、結(jié)構(gòu)特點及施工條件進行。本項目通過三維有限元方法計算分析，計算控制段在靜力況下的位移、應(yīng)力等情況，評價控制段整體穩(wěn)定性，并明確山巖對控制段的推力及控制段相應(yīng)部位應(yīng)力值云圖。本次僅計算竣工期和正常運用期2個工況下表孔溢洪洞控制段的位移應(yīng)力等情況[19]。

3.1 完建期控制段成果分析

在溢洪洞控制段閘室的分析計算中，模擬分析了對控制段垂直水流向位移、順水流向位移和豎直向位移和應(yīng)力的計算情況[20- 21]，控制段閘室各向位移云圖如圖3—5所示。

圖3 完建期工況控制段垂直水流向位移(單位：m)

圖4 完建期工況控制段順水流向位移(單位：m)

圖5 完建期工況控制段豎直向位移(單位：m)

控制段閘室各向位移計算中，控制段的位移量通過建模計算可知，垂直水流向位移：控制段頂部向內(nèi)移量約0.12mm，底部圍巖向左、右偏移約0.1mm；順水流向位移：控制段出口處向下游偏移約0.09mm；豎直向位移：控制段頂部前端大梁向下位移約2.2mm，控制段沉降約1.2mm。在竣工期，由于控制段的重心均位于前端，在重力作用下，控制段均向上游偏移0.2mm，由于自重作用，前端大梁由于體型的較后面主梁的要小，所以豎向位移最大。

完建期工況控制段拉應(yīng)力和壓應(yīng)力如圖6—7所示。

圖6 完建期工況控制段拉應(yīng)力(單位：Pa)

圖7 完建期工況控制段壓應(yīng)力(單位：Pa)

完建期工況，控制段極少部位拉應(yīng)力超過1MPa，基本位于閘室角緣處，由應(yīng)力集中所致。閘井上部結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力均低于0.4MPa。閘室底板拉應(yīng)力略大，底板中部下側(cè)有超過0.5MPa的區(qū)域?？刂贫谓^大多數(shù)部位的壓應(yīng)力低于2MPa，閘室前邊墻壓應(yīng)力有超過2MPa的部位，但不超過5MPa。角緣處因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的壓應(yīng)力為9.8MPa，不具代表性。

綜合以上，在竣工期，控制段閘井上部結(jié)構(gòu)的混凝土拉應(yīng)力低于0.2～0.4MPa，閘室底板拉應(yīng)力略大，有超過0.5MPa的部位，但低于1MPa?；炷翂簯?yīng)力僅閘室前室的邊墻和導(dǎo)墻略大，其值在2～5MPa范圍內(nèi)，是由塔體重心位于塔前部所致。

由圖8中通過基底壓力的分布情況可以看到，在完建期工況，由控制段以及弧門自重向基地傳遞下來的豎向力為16210t，水平方向的力為1807t?？刂贫蔚装逯苯优c基巖接觸?；讐毫η闆r如下：前齒槽底1.08MPa，閘室前室底板0.68MPa，閘室中部0.63MPa，閘室后室0.60MPa，后齒槽底0.25MPa。

圖8 完建期工況控制段基巖壓力分布及順水流推力和豎向力(單位：Pa、N)

基巖在干燥狀態(tài)下抗壓強度為1.0～1.2MPa、內(nèi)聚力C為1.4MPa、內(nèi)摩擦角Φ為40.5°。在竣工期，整個邊坡和基巖無塑性變形發(fā)生，進水口混凝土結(jié)構(gòu)基底壓力遠小于基巖抗壓強度，所以，在完建期工況，基巖具有足夠的承載能力[22- 23]。

3.2 正常運行期成果分析

水庫蓄水至正常蓄水位1820m、施加金屬結(jié)構(gòu)及塔頂啟閉設(shè)施重量、浪壓力、風(fēng)壓力、擋水閘門荷載；正常運行工況混凝土結(jié)構(gòu)被水淹沒，采用特殊邊界模擬結(jié)構(gòu)被水體淹沒后產(chǎn)生的浮托力，以便可以更加真實的反應(yīng)結(jié)構(gòu)在運行工況時，計算混凝土底板在受到浮拖力后的應(yīng)力狀態(tài)以及基礎(chǔ)底部壓應(yīng)力狀態(tài)，同時考慮塔體、回填混凝土與圍巖的相互耦合作用以及不同材料間的接觸作用，減少產(chǎn)生不真實的拉應(yīng)力區(qū)域，以便更真實的模擬塔體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用[24- 25]。由于篇幅限制，正常運用工況下各應(yīng)力云圖不再贅述，控制段各位移和應(yīng)力見表3。

表3 表孔溢洪洞控制段有限元計算成果表

4 結(jié)語

采用三維有限元法對阿爾塔什控制段結(jié)構(gòu)進行靜力計算分析研究，主要結(jié)論如下。

(1)完建期和正常運行期工況控制段豎向位移最大值分別為1.2mm和2.36mm，底板上、下部混凝土拉應(yīng)力均低于1MPa，角緣處因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過5MPa，不具代表性；由此可見控制段在不同工況下各向位移和應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

(2)通過基底壓力的分布情況可知，完建期和正常運行期工況控制段基礎(chǔ)混凝土壓應(yīng)力均遠小于基巖抗壓強度，由此可見控制段在不同工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)本工程目前已蓄水運行，從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果與三維有限元計算成果基本吻合。表明計算方法具有較強的適用性和實用性，可為類似的計算提供有益參考。