新疆某水利枢纽工程坝内廊道配筋的计算方法

周旭锐

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

某水利枢纽工程位于新疆阿勒泰地区布尔津河流域，工程主要建筑物包括大坝、泄水建筑物、发电引水建筑物、水电站厂房、过鱼设施，临时建筑物包括施工围堰和导流洞。工程等别为Ⅱ等大(Ⅱ)型，挡水建筑物为常态混凝土双曲拱坝，最大坝高94.0 m。坝内布设基础灌浆廊道、排水监测廊道，并与两岸灌浆平洞相接，组成一个完整的坝内外交通网络。

2 坝内廊道布置

为满足检修、观测、灌浆、排水和坝内交通等要求，需要在坝体内设置廊道。本工程坝体共设置3层水平纵向廊道，纵向廊道上游壁离上游坝面的距离，宜为0.05～0.1倍的坝面作用水头，且不小于3 m。分别在560.0，595.0和620.0 m高程布设廊道，廊道断面型式均为城门洞型，基础灌浆廊道断面尺寸均为3.0 m×4.0 m，中部和顶部廊道断面尺寸为2.5 m×3.0 m，其中底部为基础灌浆排水及监测廊道，距上游坝面距离为8 m，中部和上部为排水、监测廊道，兼顾交通，距上游面为6和4 m。坝体廊道在平面上沿拱圈呈折线布置，两岸灌浆平洞的断面型式与基础灌浆廊道断面型式相同，并通过电梯井、坝后桥、岸坡道路，解决坝体廊道及灌浆平洞间的相互交通。

基础灌浆廊道全长256 m，595 m监测廊道全长128 m，620 m监测廊道全长243 m。见图1。

图1 某工程拱坝坝体廊道布置纵向剖视图

3 廊道配筋常用计算方法

3.1 方法一：按弹性应力图形配筋

3.1.1 计算方法

该方法为工程中常用的计算方法，首先由弹性理论计算得出结构在荷载作用下的拉应力图形，再根据拉应力图形面积计算配筋用量。计算方法如下：

1) 当截面的弹性应力图形接近线性分布时，应换算为截面内力，可按杆件体系结构的配筋公式进行配筋及裂缝控制等的验算。

2) 当截面的弹性应力图形偏离线性分布较大时，可按拉应力图形面积计算钢筋用量，其计算公式如下：

T=Ab

Tc=Actb

式中：T为由荷载设计值(包含结构重要性系数γ0及设计状况系数ψ在内)确定的弹性总拉力；A为按荷载设计值得出的弹性主拉应力图形总面积；Tc为混凝土承担的主拉力；Act为弹性应力图形中主拉应力小于混凝土轴心抗拉强度设计值ft的图形面积。

3.1.2 存在的问题及优势

1) 存在的问题。弹性拉应力图形依据混凝土的允许应力人为地分割成混凝土承担的部分、钢筋承担的部分。事实上，混凝土开裂、受拉钢筋应力较大时，弹性应力图形已不复存在，截面上将产生应力重分布，此时计算截面上总的拉应力为多少，混凝土和钢筋各承担多少，是很难确定的。

2) 优势。作为工程设计中常用的传统设计方法，按弹性应力图形配筋比较方便易行，可适用于各种形体复杂的结构。国内很多工程按照该方法对廊道进行配筋设计，实际的观测值证明按此方法配筋是安全可靠的。

3.2 方法二：按有限单元法配筋

3.2.1 计算方法

1) 将结构离散为有限个单元，各单元仅在其节点处相互联接。

2) 在单元中建立单元内部的位移模式，所选择的位移形函数应能保证两邻接单元共同边界位移的协调连续性，即要求能使这两个单元既不重叠，又不出现空隙。

3) 将单元内各点应变用结点位移表示。

4) 选择合适的材料应力-应变结构关系，将单元内各点的应力用应变表示。

5) 对单元加一虚位移。

6) 将结构的全部结点进行整体编号，集合所有单元的结点位移列阵和结点荷载列阵，分别形成整体位移列阵和整体荷载列阵，再将所有单元刚度矩阵进行集合，形成整体刚度矩阵，得出整个结构的平衡方程组。

7) 求解方程组，得出结点整体位移、单元的结点位移列阵、单元各点应变，最后求出各点应力。

3.2.2 存在的问题及优势

1) 存在的问题。采用该方法计算时，由于所取各种参数取值的不同，非线性程序处理手段的不同以及裂缝模拟模型的不同等等，往往会得出差异较大的计算结果。因此，所采用的钢筋混凝土非线性有限元分析程序，必须经过试验的考证。考证时，材料及荷载的各项参数应取实测值

2) 优势。该方法综合考虑了混凝土的开裂以及非线性材性、钢筋与混凝土之间的黏结、混凝土徐变等因素，对于大体积混凝土结构温度配筋设计时需考虑混凝土裂缝开展宽度对温度应力的影响时，有不可替代的优点。

3.3 方法三：按断裂力学原理配筋

3.3.1 计算方法

当混凝土承受拉应力时，将产生开裂阻抗，应力达到极限抗拉强度时，裂缝将扩展和延深。断裂力学在计算廊道顶拱和底板的开裂深度后，通过计算裂缝尖端劈缝力所产生的应力强度因子，与混凝土的断裂韧度相比较，判断裂缝是否终止，综合考虑该裂缝对主体工程的危害程度后，决定是否配筋。

3.3.2 存在的问题及现状

1) 存在的问题。在断裂力学计算的过程中，有很多未考虑的因素：混凝土的塑性影响；大坝施工期长，廊道所承受的荷载是缓慢施加的，使混凝土的应变能力远大于快速拉伸值；廊道周围混凝土施工先浇两侧并在拱顶处分层，底板留排水沟，这些对应力都有影响。

2) 现状。 应用断裂力学原理求解廊道的开裂与稳定，并计算配筋，目前国内按照此原理计算廊道配筋的工程非常稀少，有些问题还处于摸索阶段，可为廊道配筋提供一种思路。

4 本工程廊道配筋的计算方法

本工程位于高寒地区，筑坝条件十分恶劣，故坝体廊道配筋计算采用传统算法，即按拉应力图形面积的大小确定配筋量。由于坝内设置廊道将会引起坝内应力重新分配，进行廊道配筋设计时应该采用最不利工况控制确定。下面以基础灌浆廊道为例，进行配筋计算。

4.1 最不利工况下坝体应力

坝体应力采用三维有限元方法分析计算，详细计算不同受力工况下坝体应力的大小。计算中总共考虑了21种计算工况，具体不赘述。经过计算结果分析，考虑保温、溢流表孔和泄洪深孔时，正常蓄水位+自重+泥沙+温降+横河向地震荷载+顺河向地震荷载为最不利工况，即工况20。见表1。

表1 拱坝应力极值表

由三维有限元方法得出最不利工况下应力计算简图见图2-图5。

图2 最不利工况下坝体上游面主拉应力S1等值线图(MPa)

图3 最不利工况下坝体上游面主压应力S3等值线图(MPa)

图4 最不利工况下坝体下游面主拉应力S1等值线图(MPa)

图5 最不利工况下坝体下游面主压应力S3等值线图(MPa)

通过图2、图4可以看出，坝体右侧562高程的拉应力集中区为基础灌浆廊道的控制应力，该处廊道距离上游面为6～7 m，距离建基面最小距离为5 m，结合下游面拉应力综合考虑，可知基础灌浆廊道处最大拉应力为1.2 MPa。

4.2 拱坝廊道配筋计算结果

按弹性应力图形配筋的计算方法，廊道配筋选择每米5根直径25螺纹钢即可满足要求。见图6。

图6 基础灌浆廊道典型配筋图

5 结 语

对于廊道配筋计算的研究，国内工程大多采用按弹性应力图形配筋的方法，该方法是传统的计算方法，可适用于各种形体复杂的结构。本工程廊道的配筋以坝体应力三维有限元计算结果为依据，进行配筋计算。工程运行多年后，廊道运行情况良好。