李亞軍

(中國能源建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100029)

0 引言

根據(jù)水力設(shè)計(jì)要求，溢洪道堰閘段的閘墩墩頭型式應(yīng)滿足過堰水流平順的要求［1］，一般采用圓弧或其他曲線型式。針對(duì)這種不規(guī)則的結(jié)構(gòu)形狀，采用簡化的材料力學(xué)法求解應(yīng)力、位移的精度不能滿足閘室設(shè)計(jì)要求，而三維有限元法可以求解結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件均復(fù)雜的力學(xué)問題［2］。本文針對(duì)某溢洪道堰閘段的實(shí)際工程，建立堰閘段結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，分析結(jié)構(gòu)在最高運(yùn)行水位下的靜力作用［3］，并采用振型分解反應(yīng)譜法分析順?biāo)飨蚝蜋M水流向兩種地震作用效應(yīng)［4，5］。本文的計(jì)算分析結(jié)果，為堰閘段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，也可為類似工程提供參考。

1 工程概況

某水電站工程溢洪道堰閘段長50.00 m，堰上游寬81.45 m，下游寬72.00 m。堰頂高程 209.00 m，由 4孔 15.0 m(寬)×21.09 m(高)的設(shè)閘溢流堰組成。堰體上游坡度為1∶0.667，堰面曲線為Y=0.042 85X1.85。堰閘段縱向分縫位于每孔的中心線處，閘墩末端寬度為4.00 m，最寬處約6.50 m，閘墩采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。堰閘段設(shè)弧形工作門和鋼疊梁檢修門，門庫設(shè)在堰閘段左側(cè)。堰閘段基礎(chǔ)齒槽高程190.00 m，在齒槽內(nèi)設(shè)帷幕灌漿檢查排水廊道。閘墩頂設(shè)交通橋。

2 基本資料

2.1 計(jì)算模型

堰閘段模型按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建模，壩體周邊按實(shí)際設(shè)計(jì)體型考慮，構(gòu)筑物基礎(chǔ)面按設(shè)計(jì)開挖形狀考慮。為了能正確反映壩體周邊的應(yīng)力分布規(guī)律，地基模型范圍按下面標(biāo)準(zhǔn)選取［6］:堰閘段上游側(cè)取1.5倍堰閘段高度，下游側(cè)取2.0倍堰閘段高度，左右兩側(cè)和基礎(chǔ)分別取1.0倍堰閘段高度。模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。結(jié)構(gòu)計(jì)算過程中，將地基和壩體作為連續(xù)體進(jìn)行處理。模型均采用右手坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于壩軸面、堰閘壩中心面、▽190.00 m高程水平截面的交點(diǎn)處。X軸正向指向順?biāo)鞣较?，Y軸正向?yàn)樨Q直方向向上，Z軸正向指向橫河流方向。

采用ANSYS空間六面體和四面體等參單元對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)格剖分。為提高構(gòu)筑物與巖體接觸面附近的計(jì)算精度，上部壩體結(jié)構(gòu)與基巖接觸部位的單元尺寸較小。堰閘段整體結(jié)構(gòu)的總單元數(shù)為634 581個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為267 006個(gè)。圖2為整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分圖。

2.2 計(jì)算工況及荷載

選取3個(gè)典型工況進(jìn)行計(jì)算。工況1:結(jié)構(gòu)在最高運(yùn)行水位下的靜力工況;工況2:地震工況，水平地震加速度方向?yàn)閆軸方向，ah=0.10g，豎直地震加速度 av=0.067g;g=9.81 m/s2;工況3:水平地震加速度方向?yàn)閄軸方向，ah=0.10g，豎直地震加速度av=0.067g;g=9.81 m/s2。

工況1下的荷載考慮堰閘段自重、設(shè)備重、上游水壓力、揚(yáng)壓力及預(yù)應(yīng)力。工況2、工況3除考慮上述荷載外，還施加地震慣性力和地震動(dòng)水壓力。地震工況下，為反映堰閘壩整體結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力作用區(qū)域及最大值，在動(dòng)力計(jì)算結(jié)果與靜力計(jì)算結(jié)果疊加過程中，采用正正疊加(即正的動(dòng)力結(jié)果+靜力結(jié)果)的方式。

依據(jù)水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［7］，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜采用標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，Ⅰ類場地的特征周期Tg=0.2 s，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大代表值βmax=2.25，下限代表值βmin取最大代表值的20%，βT—T的曲線按規(guī)范選取。

2.3 材料屬性

混凝土靜態(tài)物理及力學(xué)參數(shù)見表1。考慮堰閘段混凝土體積較大，含筋量低，動(dòng)力分析時(shí)，混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)值較其靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值提高30%;動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值取動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的10%［6］。

表1 混凝土靜態(tài)物理及力學(xué)參數(shù)

基巖模型及物理參數(shù)按地質(zhì)分層及鉆探資料選取。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 整體位移

堰閘段在不同工況下的整體位移見表2。由表2可以看出，X向位移最大值出現(xiàn)在工況3，最大值為1.87 mm;Y向位移最大值出現(xiàn)在工況1，最大值為2.64 mm;Z向位移最大值出現(xiàn)在工況2，最大值為3.34 mm。結(jié)構(gòu)在工況1，工況2，工況3作用下的整體位移最大值分別為 2.89 mm，3.46 mm 和2.97 mm，均較小，滿足規(guī)范要求。

表2 不同工況下的最大位移統(tǒng)計(jì)表 mm

3.2 門槽位移及分析

為全面反映門槽部位的變形，分別給出了與檢修門槽和弧形門槽變形相關(guān)的兩組數(shù)據(jù)，分別為:不同水平剖面閘門兩側(cè)門槽中心線的相對(duì)位移最大值ΔU1和門槽上下游兩側(cè)的相對(duì)位移最大值ΔU2。閘墩編號(hào)、門槽編號(hào)及相對(duì)位移說明圖見圖3，圖4，相對(duì)位移統(tǒng)計(jì)表見表3。

表3 檢修門槽、弧形門槽相對(duì)位移統(tǒng)計(jì)表 mm

計(jì)算結(jié)果表明，檢修門槽ΔU1的最大值出現(xiàn)在工況2中編號(hào)為J7，J8的檢修門槽處，其值為－1.50 mm;檢修門槽ΔU2的最大值出現(xiàn)在工況1中編號(hào)為J5的檢修門槽處，其值為0.05 mm?；⌒伍T槽ΔU1的最大值出現(xiàn)在工況2中編號(hào)為H7，H8的弧形門槽處，其值為－1.57 mm;弧形門槽ΔU2的最大值出現(xiàn)在工況1中編號(hào)為H4的弧形門槽處，其值為0.025 mm?？梢钥闯觯鞴r下門槽部位的相對(duì)位移均較小，不會(huì)影響閘門的正常啟閉。

3.3 整體應(yīng)力

工況1作用下，堰閘段第一主應(yīng)力最大值σ1max為2.90 MPa，第三主應(yīng)力最小值σ3min為－14.7 MPa;工況2作用下，堰閘段第一主應(yīng)力最大值σ1max為2.92 MPa;工況3作用下，迎水面大部分區(qū)域的第一主應(yīng)力為壓應(yīng)力，僅在左右擋水壩部分部位出現(xiàn)了主拉應(yīng)力區(qū);在弧形門下游部位，閘墩表面和溢流堰表面大部分區(qū)域?yàn)橹骼瓚?yīng)力區(qū)，但主拉應(yīng)力均較小，基本不超過0.27 MPa?？梢钥闯?，3種工況下結(jié)構(gòu)的整體拉應(yīng)力均較小，輔以適當(dāng)配筋，不會(huì)出現(xiàn)破壞性拉應(yīng)力區(qū)。

3.4 閘墩側(cè)面及根部應(yīng)力

地震工況為閘墩側(cè)面及根部設(shè)計(jì)的控制工況。

工況2作用下，中間閘墩D2的地震作用效應(yīng)較為明顯。中間閘墩D2表面存在較大的主拉應(yīng)力區(qū)，其中，應(yīng)力值相對(duì)較大的主拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在錨固豎井及門槽部位，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在錨固豎井處，最大值為1.00 MPa。D2閘墩根部的主拉應(yīng)力區(qū)分布較廣，集中分布在弧形門槽部位，最大主拉應(yīng)力為0.58 MPa。

工況3作用下，中間閘墩和邊墩的主拉應(yīng)力分布及主拉應(yīng)力值基本相同。閘墩表面相對(duì)較大的主拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在錨固豎井及牛腿連接處下游部位，但上述部位的第一主應(yīng)力較小，基本不超過0.47 MPa。閘墩根部的主拉應(yīng)力分布區(qū)較小，僅出現(xiàn)在弧形門槽和閘墩根部下游部位，且該部位大部分主拉應(yīng)力小于0.08 MPa。

4 結(jié)語

1)在3種典型工況作用下，堰閘段各向位移均較小，整體位移最大值出現(xiàn)在工況2，最大值為3.46 mm。

2)在3種典型工況作用下，堰閘段的整體拉應(yīng)力較小，在第一主應(yīng)力集中區(qū)域輔以適當(dāng)配筋，即可避免出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞區(qū)。

3)在地震工況作用下，閘墩側(cè)面及根部的拉應(yīng)力較小，按正常構(gòu)造配筋即可滿足要求。

4)在3種典型工況作用下，檢修門槽和弧形門槽的兩類相對(duì)位移均較小，不會(huì)影響閘門的正常啟閉。

［1］DL/T 5166-2002，溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］Yuan·J.X.Identification of the Machine Tool Structural Parameters by Dynamic Data System(DDS)and Finite Element Method［D］.USA:University of Wisconsin-Madison，1983.

［3］崔建偉，管新建，孫小兵.堰閘壩結(jié)構(gòu)的三維有限元靜力分析［J］.東北水利水電，2005，23(249):1-2，59.

［4］孫小兵，李新明.塔式進(jìn)水口抗震性能研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2010(3):87-90.

［5］郭鳳妍，樂金朝.堰閘壩結(jié)構(gòu)的抗震性能分析［J］.南水北調(diào)與水利科技，2011，9(1):43-46.

［6］陳玉華，孫小兵，陳 晶.堰閘壩有限元靜力分析中地基模型的尺寸效應(yīng)［J］.山西建筑，2009，35(33):367-368.

［7］DL 5073-2000，水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.