溢流表孔闸墩结构计算

黄 涛，程 鹏

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

泄洪建筑物是水利枢纽中的重要组成部分，溢流表孔是泄洪建筑物中的常见型式。为调节水库蓄水量和下泄流量，很多水利水电工程中的溢流表孔设有闸门，而溢流表孔两侧的闸墩就成为支撑闸门及启闭设备、分隔孔口、泄洪导流的重要结构[1- 2]。该结构的安全性是保障水利水电工程安全有效运行的关键。

对于设有多个溢流表孔的工程，单孔或隔孔开闸泄洪是常见的情况，此情况中的闸墩不仅受到自重及上部结构在垂直向的荷载作用，还受到不均衡的侧向(横河向)水推力和单侧弧门推力作用，闸墩结构处于最不利的受力状态，影响着溢流坝段整体结构的安全[3- 8]。因此本文结合老挝某水电站的溢流表孔中墩结构，采用材料力学法和有限元法，对溢流表孔单孔检修闸门关闭时，以及单侧孔泄洪时的工况进行静力计算分析，为闸墩的结构安全设计提供参考和依据。

1 溢流表孔闸墩设计概况

1.1 工程概况

老挝某水电站泄水建筑物采用开敞式溢流表孔，布置在主河床右侧，共布置5孔12m×18m溢流表孔：主河床布置2孔，右岸导流明渠内布置3孔，均采用WES实用堰，堰顶高程均为368.00m，中间为中隔墙坝段。中墩厚4m、边墩厚度为3m，中隔墙坝段厚8.6m，溢流坝段总宽度为86.6m。孔口设有检修平板门和弧形工作门，尺寸均为12m×18m，分别采用门机和液压启闭机控制。

闸墩采用简单锚块式支承结构，锚块两端伸出闸墩之外，弧形闸门的支铰固定其上。由于弧门推力较大，该闸墩采用预应力锚索结构，在闸墩和锚块中布置一定数量和形式的主、次锚索，对于中墩，主锚索张拉吨位为3000kN/根，布置6层4排(外排6根，内排3根)；次锚索张拉吨位为1800kN/根，布置5层3排。

该工程泄洪坝段上游立视、溢流坝中墩的几何模型和预应力锚索布置如图1—4所示。

图2 溢流坝中墩三维几何模型

图1 溢流坝中墩几何模型

图3 中墩预应力锚索布置侧视图

图4 中墩预应力锚索布置1- 1剖面

洪水频率/%库水位/m洪峰流量/(s·m-3)表孔开度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 计算断面及工况

1.2 计算工况

根据该工程可行性研究报告，溢流表孔典型试验工况见表1。

根据表1中的溢流表孔泄洪试验工况，对于中墩，考虑百年一遇设计洪水泄洪时，4#闸门关闭，其余闸门全开的工况，此时8#坝段中墩受到单侧弧门推力和另一侧横河向水压力的作用。在百年一遇设计洪水泄洪时，4#弧门局部开启近4m才能满足泄洪要求，但计算时令4#弧门完全关闭，忽略4#弧门局部开启侧侧向动水压力的作用。此外，计算中也忽略了下游水位对闸墩结构的影响。

闸墩泄洪水位根据水工模型试验水面线，按设计、校核洪水位流量最高水面线选取。

2 材料力学法计算结果与分析

2.1 计算模型

沿闸墩纵向(水流方向)截取坝横0+003.000、0+023.000、0+034.000三个断面进行计算，材料力学法中，截取断面为单位宽度；计算构件假定为底部固支的竖向悬臂梁结构，在闸墩自重和侧向水压力作用下，对结构底部截面按偏心受压构件计算；截取单元为独立受力结构，不考虑闸墩纵向刚度及相邻坝段的约束作用。

中墩各计算断面根据计算工况以及纵向高度较大和水位差较大的原则进行选取，见表2。

2.2 计算结果与分析

根据DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》9.3、9.5和10.2[9]，采用材料力学法对构件进行正截面受压承载力计算，闸墩两侧采用对称配筋，计算结果见表3。

表3 材料力学法计算结果

表3中的计算结果表明，中墩各断面构件截面受剪承载力均满足规范要求；但闸墩作为一个偏心受压构件，中墩底部单侧需要配两排间隔200mm的C32钢筋，局部区域甚至需要配两排间隔100mm的C32钢筋，才能满足闸墩结构的受力要求。由于中墩未考虑纵向闸墩的整体作用，计算得到的配筋值偏大，参照其他类似工程的配筋原则，计算结果过于保守。

在实际工作中，闸墩结构是受到自重、侧向水推力、单侧弧门推力、锚索预压应力等多向荷载作用的空间结构，采用传统的材料力学法进行的二维悬臂梁模型计算虽然能满足实际工程的要求，但计算模型与实际差距较大，钢筋没有充分发挥作用，过量的配筋或者增加闸墩厚度也增加了工程造价。因此采用三维有限元方法模拟中墩的真实工作状态，对相应工况进行对比计算分析。

3 有限元法计算结果与分析

3.1 计算模型及计算工况

为更真实地模拟闸墩的工作性状，采用通用有限元分析软件ANSYS14.5对闸墩进行结构计算。根据闸墩和溢流坝的结构选取8#坝段(中墩宽度为4m，闸墩两侧各向外取6m宽度的溢流坝段)进行模拟计算。该方法可以全面地模拟计算闸墩在单侧水压力、单侧弧门推力、预应力锚索的综合作用下，闸墩底部结构的应力状态。模型中未考虑各坝段顶部结构对闸墩的作用及泄洪侧溢流面上的动水压力。

溢流坝段中墩及锚块混凝土有限元网格采用八节点六面体实体单元solid65。预应力锚索根据预应力、锚索面积及作用位置的不同分为主、次两种，在计算中以三维杆单元link180模拟锚索，通过初始应变法赋予单元初始应变以模拟预应力[10- 11]。

3.1.1 材料参数

计算模型中的材料参数见表4。

表4 计算模型材料参数表

3.1.2 作用荷载

(1)坝体和闸墩自重。

(2)闸门推力：单侧垂直支铰座面方向分力1.55×107N，与水平线夹角α=5°6′4"；每侧支铰座面的受力面积为2.0×2.0m，支铰中心到闸墩边墙距离为1.1m。

(3)主锚索预应力等效荷载：3000kN/根，共(6+3)×2=18根。

(4)次锚索预应力等效荷载：1800kN/根，共5×3根。

(5)根据水工模型试验水面线，按设计、校核洪水位流量最高水面线施加侧向水压力。

3.1.3 边界条件

假设溢流坝段闸墩底部与基岩完整结合，故将坝段底部各节点x、y、z三向的位移约束设置为0，溢流坝段截面横河向位移设置为0，其余部分为外露部分，按自由位移考虑。

3.1.4 计算工况

与上一节材料力学方法对应，采用有限元法进行静力结构计算，相应的工况见表5。

表5 有限元法计算工况

中墩有限元计算网格模型及侧向水压力作用示意图如图5所示。

图5 中墩有限元模型示意图

3.2 计算结果与分析

计算得到中墩的Z轴方向应力(垂直向)云图和横河向位移云图如图6—7所示。从图6—7中可知，工况一时，由于中墩一侧检修闸门和弧门之间的侧向水压力作用面积较小，同时受到闸墩纵向刚度的制约，闸墩与溢流面交接的底部仍处于应力值较小的受压状态；中墩横河向最大位移集中在上游顶部，最大值达到1mm。工况二时，最大Z向拉应力分布在中墩与溢流面交接的底部，除去局部应力集中点，大小为2～3MPa。随着高程增加，闸墩横河向位移也增加，最大位移为4.4～5.0mm。

图6 工况一中墩结构应力位移云图图7 工况二中墩结构应力位移云图

图8 工况一中墩坝横0+003.000断面垂直向应力状态(拉应力为正值)

分别截取中墩坝横0+003.000、坝横0+023.000、坝横0+034.000三个断面的Z轴方向(垂直向)应力云图及底部应力值如图8—10所示。

由图6—10应力计算结果可以看出：工况一中，中墩受局部侧向水压力的作用下，由于作用面积较小，且受闸墩纵向刚度的制约，检修门和弧门之间的闸墩混凝土仍处于压应力状态。工况二中，闸墩受到泄洪侧侧水压力作用，闸墩一侧底部有一定范围的拉应力区存在，该区域开裂风险较大，拉应力区集中在闸墩中下部。

根据DL/T 5057—2009附录D：非杆件体系钢筋混凝土结构的线弹性应力图形法配筋计算原则，根据图8—10中图b)的底部应力计算结果，进行垂直向的配筋计算。计算结果见表6。

从表6中的配筋结果可以看出，闸墩底部的配筋量相比于材料力学法的计算结果偏小，顺河向单位宽度配置间隔200mm的C32钢筋即可满足结构要求。但参照类似工程的闸墩配筋原则及考虑最小配筋率，闸墩底部配筋量可适当增加。可见，计算模型的差异会在很大程度上影响计算结果，相比于传统的材料力学法，三维有限元法对于闸墩空间结构的应力应变计算更加合理。

图9 工况二中墩坝横0+023.000断面垂直向应力状态(拉应力为正值)

图10 工况二中墩坝横0+034.000断面垂直向应力状态(拉应力为正值)

表6有限元法与材料力学法中墩底部配筋计算结果

4 结论

本文主要针对溢流坝段中墩结构，采用材料力学法和三维有限元法，分别计算闸墩结构在某单孔检修闸门关闭时，检修闸门与弧形闸门之间的闸墩区域，以及单侧孔泄洪的工况下闸墩侧向结构的应力应变状态，并进行闸墩两侧纵向钢筋的配筋计算，得到结论如下。

(1)溢流坝段在进行单孔或者隔孔泄洪时，由于受到侧向水压力的作用，闸墩底部与溢流面交接的区域拉、压应力最大，结构设计时需对此区域进行加强配筋，以抵抗较大的拉应力，降低混凝土开裂风险。

(2)闸墩结构是受多向荷载作用的三维空间结构，采用传统的材料力学法进行的悬臂梁模型计算虽然能满足实际工程的要求，但由于计算模型与实际差距较大，闸墩底部的配筋计算结果偏保守。

(3)三维有限元法可以较全面地模拟闸墩的真实工作性态，计算得到中墩位移和应力结果均在合理范围内，闸墩底部的配筋量相比于材料力学法的计算结果偏小，参照类似工程的闸墩配筋原则及考虑最小配筋率，闸墩底部配筋量可适当增加。

本文中的溢流坝段中墩计算模型未考虑下游水位、各坝段之间顶部结构的相互作用等影响闸墩侧向结构计算的有利因素，故本文中的计算结果均略偏保守，可在下阶段的结构设计中进一步完善和优化。