泄洪洞岸塔式進口結(jié)構(gòu)有限元分析及配筋探討

李 藝

（中國電建集團城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 511466）

1 結(jié)構(gòu)簡介

岸塔式進水口［1］為背靠岸坡布置，閘門設(shè)在塔形結(jié)構(gòu)中，可兼作岸坡支擋結(jié)構(gòu)的進水口。相對于引水隧洞的進水口，泄洪洞的進水口有流速大、受力情況復雜等特點。

某工程泄洪（放空）洞布置在左岸山體內(nèi)，泄洪（放空）洞進口布置在溢洪道與大廠房進水口之間。泄洪（放空）洞進口采用岸塔式結(jié)構(gòu)，塔基置于弱風化、弱卸荷花崗巖巖體上，局部強卸荷。塔體尺寸25.0 m×22.0 m×66.5 m（長×寬×高），塔體內(nèi)設(shè)平板檢修閘門一道。塔體兩側(cè)采用混凝土回填至一定高程，以加強塔體結(jié)構(gòu)的整體性，增強塔體整體的抗震能力。

泄洪洞進水口邊坡由堅硬的斜長花崗巖構(gòu)成，總體較破碎，呈塊裂～碎裂結(jié)構(gòu)，邊坡整體基本穩(wěn)定，但淺表層巖體松動，卸荷強烈，穩(wěn)定性差，存在小規(guī)模崩塌、滑移拉裂破壞型式。塔體結(jié)構(gòu)及剖面形式見圖1～3。

圖1 塔體結(jié)構(gòu)形式（單位：cm）

圖2 塔體剖面一（單位：cm）

圖3 塔體剖面二（單位：cm）

2 結(jié)構(gòu)有限元計算分析

2.1 計算模型

2.1.1 模型及邊界條件

選取整個進水塔作為計算模型［2］，計算模型的邊界條件由以下幾部分組成。

塔體部分。下部邊界取至底板下表面；上部邊界取至進水塔體頂部，計算中塔體模擬的總高度為66.5 m。

地基部分。向上游延長100 m，向下游延長約70 m；模型左右側(cè)各向外取30 m；截斷地基的總高度206.5 m。

約束條件。模型的約束條件為：在截斷的巖體的四周邊界施加法向約束、基礎(chǔ)底部邊界施加全約束。

塔體、地基及回填混凝土部分采用實體單元solid45模擬。模型共分為61 795個節(jié)點，55 524個單元。計算模型見圖4～5。

圖4 結(jié)構(gòu)整體模型

圖5 塔體離散模型（取一半）

2.1.2 計算參數(shù)

混凝土結(jié)構(gòu)的強度等級均為C25。結(jié)構(gòu)四周圍巖按地質(zhì)剖面圖大致可劃分為Ⅲ2、Ⅳ和V類。具體計算參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，結(jié)構(gòu)按50年超越概率10%的地震水平加速度0.220 g進行設(shè)計。

2.2 計算工況及荷載

計算工況及荷載［3］組合見表2，計算計入的主要荷載有自重、靜水壓力、動水壓力、揚壓力、地震力［4］、溫度應(yīng)力等。

表2 計算工況及荷載組合

2.3 計算成果

2.3.1 位 移

Ux表示順水流向位移、Uy表示垂直水流向位移、Uz表示豎向位移。順水流向位移中正值表示順水流向，負值表示逆水流向；垂直水流向位移中正值表示與規(guī)定Y軸正向相同（指向左岸），負值表示與規(guī)定Y軸正向相反（指向右岸）；豎直向位移中正值表示豎直向上，負值表示豎直向下。

（1）順水流向位移Ux。各計算工況下，結(jié)構(gòu)順水流水平向位移Ux峰值見表3。

表3 結(jié)構(gòu)順水流水平向位移Ux峰值 單位：mm

（2）橫水流向位移Uy。各計算工況下，結(jié)構(gòu)橫水流水平向位移Uy峰值見表4。

表4 結(jié)構(gòu)橫水流水平向位移Uy峰值 單位：mm

（3）豎向位移Uz。各計算工況下，結(jié)構(gòu)豎向位移Uz峰值見表5。

表5 結(jié)構(gòu)豎向位移Uz峰值 單位：mm

綜上所述，從位移成果來看，塔體的位移場分布規(guī)律基本一致：綜合位移的最大值均出現(xiàn)在塔頂上游側(cè)角點處，結(jié)構(gòu)綜合位移表現(xiàn)出順水流方向遞減和沿高程遞增的趨勢。在完建+溫降工況下，塔體的豎直方向位移最大，達到-13.371 mm。這主要是由于結(jié)構(gòu)自重和混凝土溫降收縮造成的。各工況下，塔體結(jié)構(gòu)順水流和垂直水流向的位移均不大，綜合位移表現(xiàn)為以豎直方向的位移為主，結(jié)構(gòu)的各向變形均不大，說明結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。各工況下塔體結(jié)構(gòu)各向位移的最大值見表6。

表6 各工況位移極值匯總 單位：mm

2.3.2 應(yīng) 力

混凝土應(yīng)力計算成果大部分整理為整體直角坐標系下的應(yīng)力分量，且約定拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負值，應(yīng)力單位為MPa。σx為順水流水平X向正應(yīng)力，σy為橫水流向Y向正應(yīng)力，σz為豎直Z向正應(yīng)力，σ1為第一主應(yīng)力。

（1）底板應(yīng)力。各計算工況下，結(jié)構(gòu)底板應(yīng)力峰值見表7。

表7 結(jié)構(gòu)底板應(yīng)力峰值 單位：MPa

（2）流道結(jié)構(gòu)應(yīng)力。各計算工況下，流道結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值見表8。

表8 流道結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值 單位：MPa

（3）閘門槽應(yīng)力。各計算工況下，閘門槽應(yīng)力峰值見表9。

表9 閘門槽應(yīng)力峰值 單位：MPa

（4）胸墻應(yīng)力。各計算工況下，胸墻應(yīng)力峰值見表10。

（5）通氣孔應(yīng)力。各計算工況下，通氣孔應(yīng)力峰值見表11。

表11 通氣孔應(yīng)力峰值 單位：MPa

綜上所述。在各工況下，塔體的應(yīng)力場符合一般規(guī)律。施工完建+溫降工況下，各部位出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。在溫降工況下，由于混凝土材料與基巖材料的熱膨脹系數(shù)的差異，塔體底板后部與塔背圍巖交接處以及塔體結(jié)構(gòu)內(nèi)部邊角點出現(xiàn)了較大的表層張拉應(yīng)力，需關(guān)注塔體關(guān)鍵部位在溫度作用下的應(yīng)力變化。

通過以上應(yīng)力計算成果可以看出：結(jié)構(gòu)應(yīng)力總體較??；溫降工況下局部應(yīng)力較大，但分布范圍較小，應(yīng)力梯度大。絕大部分拉應(yīng)力均未超過混凝土結(jié)構(gòu)抗拉強度設(shè)計值（見表12）。

表12 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)各工況第一主應(yīng)力σ1值 單位：MPa

3 結(jié)構(gòu)配筋計算

3.1 計算參數(shù)

（1）結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0：按2級水工建筑物級別，取1.0；

（2）設(shè)計狀況系數(shù)ψ：對應(yīng)于持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，分別取1.0、0.95及0.85；

（3）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)系數(shù)γd：1.20；

3.2 結(jié)構(gòu)配筋計算

3.2.1 底板結(jié)構(gòu)

在完建+溫降工況下，底板結(jié)構(gòu)見圖6～9。

圖6 完建+溫降工況底板頂層順水流向正應(yīng)力σx

圖7 完建+溫降工況底板底層順水流向正應(yīng)力σx

圖8 完建+溫降工況底板頂層橫水流向正應(yīng)力σy

圖9 完建+溫降工況底板底層橫水流向正應(yīng)力σy

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，底板結(jié)構(gòu)在完建+溫降工況下拉應(yīng)力較大。

底板頂層順水流向單寬配筋計算：

AS=（0.567+0.428）*1.67/2*1.0（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)）*1.2（結(jié)構(gòu)系數(shù)）*0.95（設(shè)計狀況系數(shù)）/360*106=2 630.95 mm2。

底板底層順水流向單寬配筋計算：

AS=（1.30+0.480）*1.67/2*1.0（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)）*1.2（結(jié)構(gòu)系數(shù)）*0.95（設(shè)計狀況系數(shù)）/360*106=4 706.62 mm2。

底板頂層橫水流向單寬配筋計算：

AS=（1.37+0.605）*1.67/2*1.0（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)）*1.2（結(jié)構(gòu)系數(shù)）*0.95（設(shè)計狀況系數(shù)）/360*106=5 222.23 mm2。

底板底層橫水流向單寬配筋計算：

AS=（1.86+0.175）*1.67/2*1.0（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)）*1.2（結(jié)構(gòu)系數(shù)）*0.95（設(shè)計狀況系數(shù)）/360*106=5 380.88mm2。

3.2.2 閘門槽結(jié)構(gòu)

在正常蓄水位擋水+地震工況下，閘門槽結(jié)構(gòu)見圖10～13。

圖10 正常蓄水位擋水+地震工況閘門槽順水流向正應(yīng)力σx（整體分布）

圖11 正常蓄水位擋水+地震工況閘門槽順水流向正應(yīng)力σx（局部分布）

圖12 正常蓄水位擋水+地震工況閘門槽橫水流向正應(yīng)力σy（整體分布）

圖13 正常蓄水位擋水+地震工況閘門槽橫水流向正應(yīng)力σy（局部分布）

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，閘門槽結(jié)構(gòu)在正常蓄水位擋水+地震工況下拉應(yīng)力較大。

閘門槽順水流向配筋計算：

AS=0.852*1/2*1.0（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)）*1.2（結(jié)構(gòu)系數(shù)）*0.85（設(shè)計狀況系數(shù)）/360*106=1 207 mm2。

閘門槽橫水流向配筋計算：

AS=1.28*0.6/2*1.0（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)）*1.2（結(jié)構(gòu)系數(shù)）*0.85（設(shè)計狀況系數(shù)）/360*106=1 088 mm2。

3.2.3 通氣孔結(jié)構(gòu)

在完建+溫降工況下，通氣孔結(jié)構(gòu)如圖14～15所示。

圖14 完建+溫降工況通氣孔順水流向正應(yīng)力σx

圖15 完建+溫降工況通氣孔橫水流向正應(yīng)力σy

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，通氣孔結(jié)構(gòu)在完建+溫降工況下拉應(yīng)力較大。

通氣孔順水流向配筋計算：

AS=（0.612+0.151）*1.2/2*1.0（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)）*1.2（結(jié)構(gòu)系數(shù)）*0.95（設(shè)計狀況系數(shù)）/360*106=1 449.7 mm2。

通氣孔橫水流向配筋計算：

AS=（2.14+1.55）*1/2*1.0（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)）*1.2（結(jié)構(gòu)系數(shù)）*0.95（設(shè)計狀況系數(shù)）/360*106=5 842.5 mm2。

3.2.4 塔背混凝土

在完建+溫降工況下，塔背混凝土結(jié)構(gòu)見圖16。

圖16 完建+溫降工況塔背混凝土橫水流向正應(yīng)力σy

從計算結(jié)果看，塔背混凝土在完建+溫降工況下橫水流向拉應(yīng)力較大。

塔背混凝土橫水流向配筋計算：

AS=（1.51+1.36）*1/2*1.0（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)）*1.2（結(jié)構(gòu)系數(shù)）*0.95（設(shè)計狀況系數(shù)）/360*106=4 544.17 mm2。

3.2.5 邊墻混凝土

在正常蓄水位擋水+地震工況下，邊墻混凝土結(jié)構(gòu)見圖17。

圖17 正常蓄水位擋水+地震工況邊墻混凝土順水流向正應(yīng)力σy

從計算結(jié)果看，邊墻混凝土在正常蓄水位擋水+地震工況下順水流向拉應(yīng)力較大。

邊墻混凝土橫水流向配筋計算：

AS=（0.892+0.281）*1/2*1.0（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)）*1.2（結(jié)構(gòu)系數(shù)）*0.85（設(shè)計狀況系數(shù)）/360*106=1 661.75 mm2。

3.3 配筋計算結(jié)果

根據(jù)以上計算的各部位應(yīng)力分布及配筋情況，整理出結(jié)構(gòu)各部位建議配筋值，配筋［5］匯總見表13。

表13 配筋計算結(jié)果

4 結(jié) 論

岸塔式進水口結(jié)構(gòu)由流道、胸墻、閘門、通氣孔等復雜結(jié)構(gòu)組成，因為背靠山體，其垂直高度較大，整體結(jié)構(gòu)及受力情況較為復雜。采用三維有限元建模能夠較好地模擬進水口及周圍山體結(jié)構(gòu)，并能通過三維有限元方法計算不同工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變情況。

通過對岸塔式進水口的有限元計算分析，結(jié)構(gòu)整體位移、應(yīng)力均較小，符合一般規(guī)律。結(jié)構(gòu)在溫降工況下，部分關(guān)鍵部位出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，應(yīng)加強這些部位的配筋。