黃 濤，程 鵬

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

泄洪建筑物是水利樞紐中的重要組成部分，溢流表孔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，很多水利水電工程中的溢流表孔設(shè)有閘門，而溢流表孔兩側(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)[1- 2]。該結(jié)構(gòu)的安全性是保障水利水電工程安全有效運行的關(guān)鍵。

對于設(shè)有多個溢流表孔的工程，單孔或隔孔開閘泄洪是常見的情況，此情況中的閘墩不僅受到自重及上部結(jié)構(gòu)在垂直向的荷載作用，還受到不均衡的側(cè)向(橫河向)水推力和單側(cè)弧門推力作用，閘墩結(jié)構(gòu)處于最不利的受力狀態(tài)，影響著溢流壩段整體結(jié)構(gòu)的安全[3- 8]。因此本文結(jié)合老撾某水電站的溢流表孔中墩結(jié)構(gòu)，采用材料力學(xué)法和有限元法，對溢流表孔單孔檢修閘門關(guān)閉時，以及單側(cè)孔泄洪時的工況進行靜力計算分析，為閘墩的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計提供參考和依據(jù)。

1 溢流表孔閘墩設(shè)計概況

1.1 工程概況

老撾某水電站泄水建筑物采用開敞式溢流表孔，布置在主河床右側(cè)，共布置5孔12m×18m溢流表孔：主河床布置2孔，右岸導(dǎo)流明渠內(nèi)布置3孔，均采用WES實用堰，堰頂高程均為368.00m，中間為中隔墻壩段。中墩厚4m、邊墩厚度為3m，中隔墻壩段厚8.6m，溢流壩段總寬度為86.6m。孔口設(shè)有檢修平板門和弧形工作門，尺寸均為12m×18m，分別采用門機和液壓啟閉機控制。

閘墩采用簡單錨塊式支承結(jié)構(gòu)，錨塊兩端伸出閘墩之外，弧形閘門的支鉸固定其上。由于弧門推力較大，該閘墩采用預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)，在閘墩和錨塊中布置一定數(shù)量和形式的主、次錨索，對于中墩，主錨索張拉噸位為3000kN/根，布置6層4排(外排6根，內(nèi)排3根)；次錨索張拉噸位為1800kN/根，布置5層3排。

該工程泄洪壩段上游立視、溢流壩中墩的幾何模型和預(yù)應(yīng)力錨索布置如圖1—4所示。

圖2 溢流壩中墩三維幾何模型

圖1 溢流壩中墩幾何模型

圖3 中墩預(yù)應(yīng)力錨索布置側(cè)視圖

圖4 中墩預(yù)應(yīng)力錨索布置1- 1剖面

洪水頻率/%庫水位/m洪峰流量/(s·m-3)表孔開度1#2#3#4#5#表孔流量/(s·m-3)下游天然水/(s·m-3)203863364局局3030.93364.7753865378全全局局5044.93367.7823866710全全局局局6376.93369.5013867720全全全局全7720370.680.1388.9911100全全全全全11522.76374.20

表2 計算斷面及工況

1.2 計算工況

根據(jù)該工程可行性研究報告，溢流表孔典型試驗工況見表1。

根據(jù)表1中的溢流表孔泄洪試驗工況，對于中墩，考慮百年一遇設(shè)計洪水泄洪時，4#閘門關(guān)閉，其余閘門全開的工況，此時8#壩段中墩受到單側(cè)弧門推力和另一側(cè)橫河向水壓力的作用。在百年一遇設(shè)計洪水泄洪時，4#弧門局部開啟近4m才能滿足泄洪要求，但計算時令4#弧門完全關(guān)閉，忽略4#弧門局部開啟側(cè)側(cè)向動水壓力的作用。此外，計算中也忽略了下游水位對閘墩結(jié)構(gòu)的影響。

閘墩泄洪水位根據(jù)水工模型試驗水面線，按設(shè)計、校核洪水位流量最高水面線選取。

2 材料力學(xué)法計算結(jié)果與分析

2.1 計算模型

沿閘墩縱向(水流方向)截取壩橫0+003.000、0+023.000、0+034.000三個斷面進行計算，材料力學(xué)法中，截取斷面為單位寬度；計算構(gòu)件假定為底部固支的豎向懸臂梁結(jié)構(gòu)，在閘墩自重和側(cè)向水壓力作用下，對結(jié)構(gòu)底部截面按偏心受壓構(gòu)件計算；截取單元為獨立受力結(jié)構(gòu)，不考慮閘墩縱向剛度及相鄰壩段的約束作用。

中墩各計算斷面根據(jù)計算工況以及縱向高度較大和水位差較大的原則進行選取，見表2。

2.2 計算結(jié)果與分析

根據(jù)DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》9.3、9.5和10.2[9]，采用材料力學(xué)法對構(gòu)件進行正截面受壓承載力計算，閘墩兩側(cè)采用對稱配筋，計算結(jié)果見表3。

表3 材料力學(xué)法計算結(jié)果

表3中的計算結(jié)果表明，中墩各斷面構(gòu)件截面受剪承載力均滿足規(guī)范要求；但閘墩作為一個偏心受壓構(gòu)件，中墩底部單側(cè)需要配兩排間隔200mm的C32鋼筋，局部區(qū)域甚至需要配兩排間隔100mm的C32鋼筋，才能滿足閘墩結(jié)構(gòu)的受力要求。由于中墩未考慮縱向閘墩的整體作用，計算得到的配筋值偏大，參照其他類似工程的配筋原則，計算結(jié)果過于保守。

在實際工作中，閘墩結(jié)構(gòu)是受到自重、側(cè)向水推力、單側(cè)弧門推力、錨索預(yù)壓應(yīng)力等多向荷載作用的空間結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的材料力學(xué)法進行的二維懸臂梁模型計算雖然能滿足實際工程的要求，但計算模型與實際差距較大，鋼筋沒有充分發(fā)揮作用，過量的配筋或者增加閘墩厚度也增加了工程造價。因此采用三維有限元方法模擬中墩的真實工作狀態(tài)，對相應(yīng)工況進行對比計算分析。

3 有限元法計算結(jié)果與分析

3.1 計算模型及計算工況

為更真實地模擬閘墩的工作性狀，采用通用有限元分析軟件ANSYS14.5對閘墩進行結(jié)構(gòu)計算。根據(jù)閘墩和溢流壩的結(jié)構(gòu)選取8#壩段(中墩寬度為4m，閘墩兩側(cè)各向外取6m寬度的溢流壩段)進行模擬計算。該方法可以全面地模擬計算閘墩在單側(cè)水壓力、單側(cè)弧門推力、預(yù)應(yīng)力錨索的綜合作用下，閘墩底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。模型中未考慮各壩段頂部結(jié)構(gòu)對閘墩的作用及泄洪側(cè)溢流面上的動水壓力。

溢流壩段中墩及錨塊混凝土有限元網(wǎng)格采用八節(jié)點六面體實體單元solid65。預(yù)應(yīng)力錨索根據(jù)預(yù)應(yīng)力、錨索面積及作用位置的不同分為主、次兩種，在計算中以三維桿單元link180模擬錨索，通過初始應(yīng)變法賦予單元初始應(yīng)變以模擬預(yù)應(yīng)力[10- 11]。

3.1.1 材料參數(shù)

計算模型中的材料參數(shù)見表4。

表4 計算模型材料參數(shù)表

3.1.2 作用荷載

(1)壩體和閘墩自重。

(2)閘門推力：單側(cè)垂直支鉸座面方向分力1.55×107N，與水平線夾角α=5°6′4"；每側(cè)支鉸座面的受力面積為2.0×2.0m，支鉸中心到閘墩邊墻距離為1.1m。

(3)主錨索預(yù)應(yīng)力等效荷載：3000kN/根，共(6+3)×2=18根。

(4)次錨索預(yù)應(yīng)力等效荷載：1800kN/根，共5×3根。

(5)根據(jù)水工模型試驗水面線，按設(shè)計、校核洪水位流量最高水面線施加側(cè)向水壓力。

3.1.3 邊界條件

假設(shè)溢流壩段閘墩底部與基巖完整結(jié)合，故將壩段底部各節(jié)點x、y、z三向的位移約束設(shè)置為0，溢流壩段截面橫河向位移設(shè)置為0，其余部分為外露部分，按自由位移考慮。

3.1.4 計算工況

與上一節(jié)材料力學(xué)方法對應(yīng)，采用有限元法進行靜力結(jié)構(gòu)計算，相應(yīng)的工況見表5。

表5 有限元法計算工況

中墩有限元計算網(wǎng)格模型及側(cè)向水壓力作用示意圖如圖5所示。

圖5 中墩有限元模型示意圖

3.2 計算結(jié)果與分析

計算得到中墩的Z軸方向應(yīng)力(垂直向)云圖和橫河向位移云圖如圖6—7所示。從圖6—7中可知，工況一時，由于中墩一側(cè)檢修閘門和弧門之間的側(cè)向水壓力作用面積較小，同時受到閘墩縱向剛度的制約，閘墩與溢流面交接的底部仍處于應(yīng)力值較小的受壓狀態(tài)；中墩橫河向最大位移集中在上游頂部，最大值達到1mm。工況二時，最大Z向拉應(yīng)力分布在中墩與溢流面交接的底部，除去局部應(yīng)力集中點，大小為2～3MPa。隨著高程增加，閘墩橫河向位移也增加，最大位移為4.4～5.0mm。

圖6 工況一中墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力位移云圖圖7 工況二中墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力位移云圖

圖8 工況一中墩壩橫0+003.000斷面垂直向應(yīng)力狀態(tài)(拉應(yīng)力為正值)

分別截取中墩壩橫0+003.000、壩橫0+023.000、壩橫0+034.000三個斷面的Z軸方向(垂直向)應(yīng)力云圖及底部應(yīng)力值如圖8—10所示。

由圖6—10應(yīng)力計算結(jié)果可以看出：工況一中，中墩受局部側(cè)向水壓力的作用下，由于作用面積較小，且受閘墩縱向剛度的制約，檢修門和弧門之間的閘墩混凝土仍處于壓應(yīng)力狀態(tài)。工況二中，閘墩受到泄洪側(cè)側(cè)水壓力作用，閘墩一側(cè)底部有一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)存在，該區(qū)域開裂風(fēng)險較大，拉應(yīng)力區(qū)集中在閘墩中下部。

根據(jù)DL/T 5057—2009附錄D：非桿件體系鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的線彈性應(yīng)力圖形法配筋計算原則，根據(jù)圖8—10中圖b)的底部應(yīng)力計算結(jié)果，進行垂直向的配筋計算。計算結(jié)果見表6。

從表6中的配筋結(jié)果可以看出，閘墩底部的配筋量相比于材料力學(xué)法的計算結(jié)果偏小，順河向單位寬度配置間隔200mm的C32鋼筋即可滿足結(jié)構(gòu)要求。但參照類似工程的閘墩配筋原則及考慮最小配筋率，閘墩底部配筋量可適當(dāng)增加?？梢?，計算模型的差異會在很大程度上影響計算結(jié)果，相比于傳統(tǒng)的材料力學(xué)法，三維有限元法對于閘墩空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變計算更加合理。

圖9 工況二中墩壩橫0+023.000斷面垂直向應(yīng)力狀態(tài)(拉應(yīng)力為正值)

圖10 工況二中墩壩橫0+034.000斷面垂直向應(yīng)力狀態(tài)(拉應(yīng)力為正值)

表6有限元法與材料力學(xué)法中墩底部配筋計算結(jié)果

4 結(jié)論

本文主要針對溢流壩段中墩結(jié)構(gòu)，采用材料力學(xué)法和三維有限元法，分別計算閘墩結(jié)構(gòu)在某單孔檢修閘門關(guān)閉時，檢修閘門與弧形閘門之間的閘墩區(qū)域，以及單側(cè)孔泄洪的工況下閘墩側(cè)向結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，并進行閘墩兩側(cè)縱向鋼筋的配筋計算，得到結(jié)論如下。

(1)溢流壩段在進行單孔或者隔孔泄洪時，由于受到側(cè)向水壓力的作用，閘墩底部與溢流面交接的區(qū)域拉、壓應(yīng)力最大，結(jié)構(gòu)設(shè)計時需對此區(qū)域進行加強配筋，以抵抗較大的拉應(yīng)力，降低混凝土開裂風(fēng)險。

(2)閘墩結(jié)構(gòu)是受多向荷載作用的三維空間結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的材料力學(xué)法進行的懸臂梁模型計算雖然能滿足實際工程的要求，但由于計算模型與實際差距較大，閘墩底部的配筋計算結(jié)果偏保守。

(3)三維有限元法可以較全面地模擬閘墩的真實工作性態(tài)，計算得到中墩位移和應(yīng)力結(jié)果均在合理范圍內(nèi)，閘墩底部的配筋量相比于材料力學(xué)法的計算結(jié)果偏小，參照類似工程的閘墩配筋原則及考慮最小配筋率，閘墩底部配筋量可適當(dāng)增加。

本文中的溢流壩段中墩計算模型未考慮下游水位、各壩段之間頂部結(jié)構(gòu)的相互作用等影響閘墩側(cè)向結(jié)構(gòu)計算的有利因素，故本文中的計算結(jié)果均略偏保守，可在下階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計中進一步完善和優(yōu)化。