鲁地拉水电站导流洞进水塔塔顶牛腿结构设计研究

杨静安，杨鑫平

（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西西安 710065）

我国水电工程近年来发展迅速，工程规模越来越大[1]，高山峡谷地区水电工程的施工导流流量相对较大，导致导流洞过流断面变大[2]，则要求导流洞满足高水头下的结构运行安全[3]。过水断面尺寸变大要求进水塔闸门的孔口尺寸变大，导致牛腿变高，悬臂变长，剪跨比变大，对结构受力不利。对牛腿结构的安全与稳定研究是进水塔安全运行的保证[4]。

鲁地拉水电站是云南省宾川县与永胜县交界的金沙江中游河段上的第7级电站，水电站枢纽工程为大（1）型工程，以发电为主，正常蓄水位1223.0 m，总装机容量2160 MW，年均发电量99.57亿kW·h。本工程采用枯水期隧洞导流、汛期基坑过水的导流方式[5]。导流标准采用20年一遇洪水，相应导流流量为2170 m3/s。导流洞布置在右岸，断面尺寸为14.5 m×17.0 m，洞长870.0 m。导流洞进水塔设置中墩，单个闸门的孔口尺寸为7.25 m×17.0 m。

1 设计资料和计算参数

1.1 基本体型

进水塔塔底高程1128.5 m，塔顶高程1186.0 m，塔高57.5 m，塔宽27.5 m，塔长（顺水流向）19.0 m。进水塔上部塔筒长16.0 m，上、下游墙厚分别为2.5 m、3.5 m；左右侧墙厚均为2.5 m。塔顶牛腿结构尺寸见图1，启闭机作用点位置见图2。

1.2 材料和荷载

进水塔一期混凝土强度等级C25F150W8，牛腿顶部启闭机作用部位二期混凝土强度等级C30F 150W8[6]。计算时混凝土强度等级取C25F150W8。弹性模型EC=2.8×104N/mm，容重γ=25 kN/m3，泊松比μ=0.167。

图1 塔筒结构图Fig.1 Tower structure

图2 塔顶俯视图Fig.2 Top view on the tower top

起吊单个闸门的启闭机，作用在塔顶部的荷载取20000 kN，作用点为8个。最大作用力为2500 kN，牛腿的轴线方向22.5 m范围布置8个作用点，见图1、2。

1.3 计算方法

根据《水工混凝土结构设计规范》DL/T5057-2009规定[7]，此结构应接近壁式牛腿。仅按照壁式牛腿取单宽进行计算，即不计两侧墙对上下游牛腿的支撑作用[8]，配筋结果偏于保守，侧墙支撑点与牛腿顶部荷载之间的距离决定了牛腿的受力状态，从结构力学计算方法来看，不能很好地研究其受力和变形趋势[9]，本文首先利用解析法进行牛腿结构计算，再利用有限元方法进行复核比较。重点研究分析上下游牛腿支撑梁对牛腿结构受力的影响。计算软件利用理正结构工具箱TSB和有限元软件ANSYS[10]。

2 规范方法

按照混凝土结构设计规范（GB 50010-2010）规定方法，利用理正结构工具箱对牛腿结构的承载能力极限状态和正常使用极限状态进行计算分析。计算简图见图1，塔筒结构顶部牛腿结构。钢筋级别为HRB335。

已知:牛腿顶部竖向总力PVK=10000 kN；牛腿顶部水平向总力PVK=0 kN，荷载分布宽度B0=10 m，牛腿宽度b=1.0 m。则竖直向荷载设计值FVK=PVK1/B0=1000.0 kN，利用理正结构工具箱计算。

2.1 斜截面抗裂验算

由计算结果可知，满足结构抗裂要求。

2.2 正截面抗弯计算

纵筋计算配筋量:

取As1=ρminbh0=10920 mm2，As=As1+As2=ρminbh0+1.2Fh/fy=10920 mm2。

纵筋实配:14D32，As=11259 mm2（ρ=0.21%）>10920 mm2，满足要求。

2.3 水平箍筋/弯起钢筋面积计算

1）水平箍筋面积计算

计算箍筋用量（牛腿上部2/3h0范围）：取承受竖向力的受拉钢筋截面积一半5460 mm2。

箍筋实配：D10@105 mm；牛腿上部2/3h0范围内，Ash=5498 mm2>5460 mm2，满足要求。

2）弯起钢筋面积计算

计算弯筋用量:取承受竖向力的受拉钢筋截面积一半5460 mm2。弯筋实配：18D200 mm，Asb=5655 mm2（ρ=0.10%）>5460 mm2，满足要求。

可见，由计算结果可知，按照构造配筋即可，但由于牛腿结构尺寸较大，配筋量相对较大。

3 有限元方法

3.1 计算模型

计算范围取进水塔锁定平台上部结构，模型底部采用全约束，四周侧面和顶部采用自由边界，考虑结构自重作用和牛腿顶部启闭机传递的荷载。网格生成借助ANSYS前处理程序，计算模型总结点数为71517个，总单元数为53478个。模型见图3。坐标系规定：垂直水流向指向左岸为X正方向；顺水流向指向上游为Y正方向；竖直向上为Z正方向。

图3 模型图Fig.3 Model diagram

3.2 计算工况

工况1：不考虑左右两侧墙对牛腿的影响。

工况2：考虑左右两侧墙对牛腿的影响。

计算时仅对中间关键截面的受力状态进行了整理分析，对于靠近侧墙的截面，由于受到侧墙的约束，其受力状态与壁式牛腿受力状态差别较大，需根据其应力大小来配置钢筋。

3.3 计算结果

1）应力与变形

两种工况的水平向应力、竖直向应力和合位移见图4和图5（进水塔轴线处剖面）。

工况1：当不考虑两侧墙对牛腿结构支撑作用时，水平向应力σY最大拉应力为0.912 MPa，出现在牛腿顶部；最大压应力为－2.256 MPa，出现在牛腿底部与墙接触部位。竖直向应力σZ最大拉应力为2.3 MPa，出现在墙外侧边缘；最大压应力为－4.248 MPa，出现墙内侧与牛腿接触处；最大合位移为19.69 mm，出现在牛腿顶部内侧边缘，由于牛腿受弯向内侧变形墙引起。

图4 工况1云图Fig.4 Nephogram of case 1

图5 工况2云图Fig.5 Nephogram of case2

工况2：当考虑两侧墙对牛腿结构支撑作用时，水平向应力σy最大拉应力为0.756 MPa，出现在牛腿顶部；最大压应力为－1.554 MPa，出现在牛腿底部与墙接触部位。竖直向应力σz最大拉应力为0.659 MPa，出现在墙外侧边缘；最大压应力为－2.26 MPa，出现墙内侧与牛腿接触处；最大合位移为1.63 mm，出现在牛腿顶部内侧边缘，由于牛腿受弯向内侧变形墙引起。

从工况1和工况2计算结果比较来看，考虑左右侧墙对牛腿结构的受力和变形改善明显，工况2比较符合实际结构受力特点。

2）配筋计算

根据《水工混凝土结构设计规范》规定，通过有限元方法得到的关键截面应力图来配筋。工况1和工况2的关键截面配筋计算见表1和表2。

表1 工况1关键截面配筋Tab.1 Reinforcement of the critical section for case 1

表2 工况2关键截面配筋Tab.2 Reinforcement of the critical section for case 2

从计算配筋结果来看，当不考虑边墙对牛腿结构支撑作用时（工况1），牛腿顶部受拉钢筋需配置直径25 mm，每米5根；牛腿下部上游墙需配置直径32 mm，每米5根。当考虑边墙对牛腿结构支撑作用时（工况2），牛腿顶部受拉钢筋需配置直径20 mm，每米5根；牛腿下部墙需配置直径20 mm，每米5根。可见，两侧边墙的支撑对牛腿的配筋结果影响较大，必须考虑边墙的作用。

规范方法和有限元方法计算正截面纵向配筋分别为14D32、5D32（工况1），对于大体积牛腿结构采用两种方法计算结果差别较大。规范方法考虑了结构的抗裂等因素，而有限元方法仅根据结点应力进行配筋，需通过试验进一步验证，且有限元方法计算有待规范化。

4 结语

1）对于进水塔顶部牛腿结构，采用壁式连续牛腿进行计算时，没有考虑进水塔两侧边墙的作用，应力和位移数值均偏大。

2）从是否考虑边墙支撑的作用有限元结果表明，边墙支撑对牛腿结构受力和变形影响较大，计算必须考虑。

3）由于进水塔顶部牛腿结构相对尺寸较大，按照构造配筋计算，配筋量相对较大。当牛腿结构尺寸相对较大时，可参考有限元计算结果综合考虑。

4）在满足启闭机运行的情况下，尽可能减小进水塔顶部牛腿结构尺寸，使其按照构造配置钢筋时更合理。

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