江坪河水电站导流洞闸室段结构三维有限元分析

郑志强，刘 勇，龚亚琦

(1.湖北能源集团溇水水电有限公司，湖北 恩施 445801；2.长江科学院材料与结构研究所，湖北 武汉 430010)

1 工程概况

江坪河水电站导流洞布置于右岸，洞身段全长1 163.00 m，进口底板高程293.50 m，出口底板高程290.00 m，纵坡0.301%，包括进口明渠段、进水口段、洞身段和出口明渠段，全段采用钢筋混凝土衬砌，标准过流断面呈圆拱直墙型，宽12.00 m，高15.00 m，顶拱中心角120°。闸室段桩号D0+372～D0+412，混凝土强度等级为C30，断面为矩形，设置中墩，单个断面尺寸为6.00 m×15.00 m，闸门室前后各设置30.00 m长的渐变段，侧墙渐变坡度1∶12，闸室段结构如图1所示。

考虑到电站导流洞已超期服务多年，且前期施工存在较多质量缺陷，截流前进行了补强加固处理并通过截流验收，并进行了一次补充质量检测，形成了《江坪河水电站导流洞质量补充检测报告》[1]。导流洞下闸后，闸室至堵头段衬砌将承受很大的外水压力，其封堵门设计挡水水头达137.00 m，其运行安全及渗漏情况，直接影响工程安全和进度。

根据导流洞现状及导流洞质量检测成果[1]，有必要采用三维有限元分析手段，复核导流洞封堵施工期导流洞闸室段结构安全性[2-5]，同时就不同缺陷模型对结构安全敏感性进行分析，为下闸蓄水前结构进行必要的加固处理提供依据。

图1 闸室段结构示意(单位：mm)

2 模型建立

2.1 模型范围

闸室段桩号为D0+372～D0+412，计算模型中包括351.0 m高程以下闸门竖井，计算范围为导流洞底部及侧面各延伸50 m。结构混凝土及地基基岩以各向同性体考虑。

2.2 网格划分

根据计算精度需要，划分形状及尺寸合理的有限元网格。重点关注的部位，细致模拟其结构形状，如闸门槽下游及中墩结构，特别是中墩门槽段，均划分精细的网格，闸室段计算模型见图2。整个计算模型共划分六面体单元216 554个，节点231 803个。坐标轴方向：X轴指向下游为正，Y轴指向左侧为正，Z轴竖直向上。

图2 闸室段计算模型

2.3 材料属性及模型概化

闸室段混凝土采用C30混凝土 ，围岩类别整体为Ⅲ类，围岩及混凝土均采用线弹性材料模型，相关材料的物理参数见表1。

表1 材料物理参数

根据《江坪河水电站导流洞混凝土质量补充检测成果报告》[1]，导流洞衬砌目前主要存在的缺陷有：局部冲蚀、部分区域混凝土回弹法强度测值低、裂缝、顶板部分区域存在脱空。其中，局部冲蚀造成的结构尺寸变化极小，在结构分析的计算模型中不考虑。

对回弹法检测强度推定值低于设计强度等级的区域降低弹性模量，其概化示意见图3；模拟实际裂缝，对所在单元进行节点脱开处理，如图4所示。

图3 闸室段闸墙部分回弹结果概化示意

图4 闸室段裂缝概化空间分布

2.4 荷载组合

计算工况为封堵期，闸门下放临时封堵后至永久堵头完建具备挡水条件的施工时段。荷载组合：外水压力+围岩压力+结构自重+闸门水推力+闸门前内水压力+闸门自重。其中，水头按最高水位430 m考虑。

3 结果分析

3.1 位移分析

(1)缺陷模型1(弹性模量折减+顶拱90°脱空)。闸室段混凝土结构各方向位移如图5所示，尽管外部荷载对称作用，但是由于岩层分布不对称，衬砌位移左右不完全对称，最大顺流向位移约为1 mm，位于中段闸门槽附近，主要由闸门水推力引起。同时由于渐变段末端没有中墩墙，外水压力的作用下中墩墙末端附近区域，衬砌顶部变形较大，水平向最大位移约1 mm；横河向最大位移位于左侧闸墙中部区域，最大值为-2.82 mm；最大竖直向下位移为-9.89 mm，位于中墩墙末端衬砌顶部，最大竖直向上位移约为2.27 mm，位于闸室段下游侧底板表面。

图5 缺陷模型1混凝土结构位移(单位：mm)

图6 缺陷模型3混凝土结构位移(单位：mm)

(2)缺陷模型2(弹性模量折减+裂缝布置+顶拱90°脱空)。闸室段混凝土结构整体位移分布规律和最值与缺陷模型1基本相同。

(3)缺陷模型3(弹性模量折减+裂缝布置)。缺陷模型3混凝土结构位移如图6所示。从数值可以看出，由于拱顶和围岩90°范围按脱开考虑，外水压力作用下，闸室下游末端没有中墩支撑，所以拱顶下游段竖向位移较大，为-9.89 mm，当拱顶和基岩按全粘接考虑时，混凝土结构竖向位移明显降低，顶部竖直向下位移最大值为-1.60 mm，由此可知，拱顶和基岩的结合状态对整体结构的变形有显著影响。

(4)缺陷模型4(顶拱90°脱空)。表2列出了不同计算模型的闸室段混凝土结构整体位移最值分布。从表4可以看出，缺陷的存在，对闸室整体结构的位移分布和数值影响很小。

3.2 应力分析

(1)缺陷模型1(弹性模量折减+顶拱90°脱空)。闸室段混凝土结构最大主应力分布见图7。当拱顶和围岩90°范围按脱开考虑时，在外水压力作用下，由于闸室下游末端没有中墩支撑，因而较大拉应力主要位于中墩末端(D0+403.7)至下游段(D0+408)附近顶板区域，其中，最大拉应力超过5 MPa；在门推力作用下，闸门槽下游侧有较大的拉应力，并存在应力集中，局部拉应力在2 MPa以上;其他区域无大拉应力。最小主应力分布见图8。同样由于闸室下游末端没有中墩支撑，当拱顶和围岩90°范围按脱开考虑时，下游端附近顶板区域压应力较大，最大约28 MPa。其他区域压应力都小于10 MPa，小于C30混凝土强度设计值，也小于混凝土回弹法测值。

表2 不同缺陷模型下混凝土衬砌整体位移最大值 mm

图7 缺陷模型1混凝土结构最大主应力(单位：MPa)

图8 缺陷模型1混凝土结构最小主应力(单位：MPa)

(2)缺陷模型2(弹性模量折减+裂缝布置+顶拱90°脱空)。混凝土衬砌最大主应力分布规律与缺陷模型1整体相同，除裂缝附近区域外，数值基本无差别。

(3)顶拱脱空度比较。以上成果中，顶板与围岩之间90°范围按脱开考虑，由于闸室下游端没有中墩的支撑，在顶板出现较大的拉应力及压应力。地质雷达检测结果[1]显示闸室局部区域顶板与围岩之间仅有小范围的脱空，脱空区域占比小于10%，因此以上设定的顶板与围岩之间(90°范围)脱开的条件是偏于安全考虑。以下对顶板与围岩局部不同的角度脱空情况(90°、50°、30°、10°、完全粘接)进行敏感性分析和比较。计算模型采用缺陷模型2(弹性模量折减+裂缝布置)。最大主应力和最小主应力分布见图9、10。从图9、10可见，随局部脱空区域的逐渐减小，最大拉应力和最大压应力的数值也逐渐减小。当脱空角度小于10°时，顶板拉应力已小于1.8 MPa，最大压应力也小于10 MPa。因此，根据实测顶板脱空较小的情况，闸室下游段的实际应力不大。

4 结 论

(1)导流洞闸室段三维有限元分析表明，回弹法检测中发现的强度不足的缺陷对整体结构位移和应力的影响较小，闸室段应力和变形均在常规范围内，可以确保蓄水期闸门封堵安全。

图9 缺陷模型2最大主应力分布(单位：MPa)

图10 缺陷模型2最小主应力分布(单位：MPa)

(2)裂缝缺陷仅对缝端附近的局部区域应力有一定影响，裂缝周围存在局部应力集中，但对其他区域应力的影响很小。

(3)顶拱脱空对闸室段安全存在较大影响，在顶板与围岩90°范围脱空情况下，闸室下游端承载力不能满足要求，其他部位满足承载要求；根据检测结果，闸室顶板与围岩之间仅有小范围脱空，检测脱空范围约为10%，将顶部脱空范围定位于拱顶中心线10°范围，各断面承载力均满足要求。

(4)为确保蓄水期安全，建议对顶板脱空部位进行固结灌浆处理，同时对闸室段裂缝进行化学灌浆处理以消除缺陷影响。