孙 斌,葛 瑶,张为法
(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;2.陕西省水利电力勘测设计研究院,西安 710001)
随着中国水电事业的发展,水电工程逐渐向西南西北等高海拔地区转移,其工程建设地的地质条件越来越复杂,加之近年来高坝大库工程越来越多,导流洞断面尺寸也随之加大。若导流洞进口采用岸塔式进水塔且进洞段地质条件较差,进水塔后渐变段很难形成暗洞结构,需要将进水塔布置为明洞结构。本文以某水电站导流洞进水塔后渐变段明洞结构为例,针对渐变段明洞结构建立三维有限元模型进行敏感性分析计算[1-5],计算出满足设计要求的结构厚度,并对结构进行配筋设计[6-10]。
该水电站采用隧洞导流,导流量Q30%=3 850 m3/s。隧洞标准断面尺寸13.5 m×17.5 m(长×宽)。洞身段平面上设置2个弯道,上游弯道转弯半径R=480 m,转角θ=59.76°,下游弯道转弯半径R=200 m,转角θ=32.31°。导流洞进口底板高程为2 761.00 m,出口底板高程为2 755.00 m。
导流洞进口采用岸塔式进水塔,按2孔设计,孔口尺寸为6.75 m×17.5 m。进水塔后接渐变段,渐变段由矩形渐变为城门洞形,渐变段长28 m,渐变段后进洞。
建立以地基和渐变段作为整体结构的三维有限元仿真计算模型,模型的坐标原点取渐变段进口断面竖直中心线与底部边线的交点。X轴为流道方向,指向下游水流流向为正,Y轴为垂直水流向,指向左侧为正;Z轴为铅直向,竖直向上为正。计算模型采用solid 65六面体块单元,基岩四周及渐变段结构进出口采用法相面约束,基岩底部采用三相固结面约束考虑[1-5],渐变段模型见图1。
图1 渐变段模型网格图
本次计算所采用的物理力学参数见表1。
表1 混凝土及基岩物理力学参数表
根据导流洞渐变段使用工况要求,本次计算对闸室结构在下闸封堵期工况(控制工况)进行了三维有限元计算,具体见表2。
表2 计算工况表
本次主要对拟定不同衬砌厚度的渐变段明洞结构进行敏感性分析计算,拟定衬砌厚度分别为5 m、5.5 m和6 m,通过对其不同衬砌厚度的三维有限元计算[1-5],可以得出渐变段结构受到外部荷载后的应力分布情况,其中拉应力为正,压应力为负,单位为MPa。由于结构X向应力相对Y向和Z向很小,不控制结构整体安全性,故应力结果只针对Y向和Z向进行分析比较。
(1) 渐变段衬砌厚度为5 m
当渐变段衬砌结构在结构自重、最大外水压力及浮托力的共同作用下,其Y向的最大拉应力小于C30混凝土的轴心抗拉强度设计值;Y向和Z向的最大压应力大于C30混凝土的轴心抗压强度设计值;Z向最大拉应力大于C30混凝土的轴心抗拉强度设计值,但可通过配筋解决拉应力产生的拉裂问题。Y向和Z向的正应力极值及发生部位见表3。
表3 衬砌厚度为5 m结构Y向和Z向正应力的极值及发生部位表
(2) 渐变段衬砌厚度为5.5 m
当渐变段衬砌结构在结构自重、最大外水压力及浮托力的共同作用下,其Y向的最大拉应力小于C30混凝土的轴心抗拉强度设计值;Y向和Z向的最大压应力大于C30混凝土的轴心抗压强度设计值;Z向最大拉应力大于C30混凝土的轴心抗拉强度设计值,但可通过配筋解决拉应力产生的拉裂问题。Y向和Z向的正应力极值及发生部位见表4。
表4 衬砌厚度为5.5 m结构Y向和Z向正应力的极值及发生部位表
(3) 渐变段衬砌厚度为6 m
当渐变段衬砌结构在结构自重、最大外水压力及浮托力的共同作用下,其Y向的最大拉应力和最大压应力、Z向最大压应力均小于C30混凝土的轴心抗拉和轴心抗压强度设计值;Z向的最大拉应力大于C30混凝土的轴心抗拉强度设计值,但可通过配筋解决拉应力产生的拉裂问题。Y向和Z向的正应力极值及发生部位见表5。
表5衬砌厚度为6 m结构Y向和Z向正应力的极值及发生部位表
(4) 结果分析
通过对渐变段明洞结构不同衬砌厚度的计算分析,结果表明:渐变段结构的衬砌厚度为6 m时,结构产生的最大压应力满足混凝土的抗压强度要求,其竖直方向(Z向)产生的最大拉应力值为2.201 MPa,虽然大于C30混凝土的轴心抗拉强度,但可通过配筋解决拉应力产生的拉裂问题。因此渐变段为明洞结构,其衬砌厚度为6 m时,结构整体受力满足结构安全要求。具体应力分析对比见表6。
表6 渐变段为明洞结构压应力分析对比表
按DL/T5057—2009《水工混凝土结构设计规范》附录D中D.3和D.4的相关规定从衬砌厚度为6 m的渐变段明洞结构Y向和Z向应力分布情况可以看出,只需对边墙按弹性应力图形法进行配筋[6-10],同时按最低限度的受拉钢筋配筋(P122,公式12.5.2)及最小配筋率进行复核,底边按最低限度的受拉钢筋配筋及最小配筋率控制配筋,顶板按最小配筋率控制配筋[2]。
(1) 边墙配筋
1-1断面、2-2断面和3-3断面边墙竖向钢筋按弹性应力图形法配筋、最低限度的受拉钢筋配筋及最小配筋率配筋,计算结果见表7[6-10]。
表7 渐变段结构边墙竖向钢筋配筋结果表
从表7可以得出,渐变段结构边墙竖向钢筋受最低限度的受拉钢筋配筋控制,其单位长度内配筋面积18 884.26 mm2。
(2) 顶板配筋
1-1断面、2-2断面和3-3断面顶板水平向钢筋按最小配筋率配筋,计算结果见表8[1]。
从表8可知,渐变段结构顶板水平向钢筋受最小配筋率控制,其单位长度内配筋面积8 850 mm2。
(3) 底板配筋
1-1断面、2-2断面和3-3断面底板水平向钢筋按最低限度的受拉钢筋配筋及最小配筋率配筋,计算结果见表9[1]。
表8 渐变段结构顶板水平钢筋配筋结果表
表9 渐变段结构底板水平钢筋配筋结果表
从表9可以得出,渐变段结构底板水平向钢筋受最低限度的受拉钢筋配筋控制,其单位长度内配筋面积17 818.75 mm2。
(4) 小 结
从边墙、顶板和底板的配筋结果可以得出:渐变段结构底板单位长度的水平钢筋配筋面积为17 818.75 mm2,相应的配筋量为2×5Ø36@20+2×5Ø32@20;边墙单位长度的竖向钢筋配筋面积为18 884.26 mm2,相应的配筋量为4×5Ø36@20;顶板单位长度的竖向钢筋配筋面积为8 850 mm2,相应的配筋量为2×5Ø36@20。
本文通过三维有限元对渐变段明洞结构进行敏感性分析计算,通过计算结果确定在154 m水头作用下,衬砌厚度为6 m的渐变段明洞结构可满足设计要求,并对其进行配筋计算。