局部放大体对表孔闸墩结构应力影响的模型试验研究

陈 林

(江西省水利水电建设有限公司，江西 南昌 330025)

1 工程简介

某水电站是一座以防洪和发电为主，兼有养殖和旅游等诸多功能的综合性水利枢纽工程。电站的大坝为浆砌石拱坝设计，最大坝高66m。拱坝兼有拱和梁的作用，其稳定性并不完全依赖自重维持，因此可以充分发挥材料本身的抗压抗拉作用，与相同高度的重力坝相比可以节省30%～60%的材料，具有显著的经济性[1]。由于拱坝的坝址河谷往往较窄，设置河岸式溢洪道极为不便，因此多采用表孔和深孔相结合的泄洪方式。相对于深孔，表孔具有泄流能力强和方便检修等诸多优势，因此往往承担着水利工程的主要泄流任务，并导致表孔的尺寸不断增大。对于这些水头高、尺寸大的泄流表孔，往往需要设置闸墩和支铰承载体构成的支撑结构，保证弧形闸门的运行安全。在水利工程实际运行过程中，拱坝会产生指向下游的变形，从而使闸墩的侧面拉应力增大。针对这一问题，虽然可以采用预应力闸墩解决，但是会导致造价的大幅提升。同时，采用侧面加筋的方式承担一部分拉应力，但是仍存在拉应力过大而致侧面裂缝的问题[2]。基于此，研究中在闸墩的外侧与坝体的相交部位设置局部放大体，并利用模型试验的方法，进行局部放大体的长度和宽度优化，为工程设计和建设提供必要的理论和技术支撑。

2 局部放大体设计方案

整体增加闸墩的厚度固然对控制闸墩变形具有重要作用，但是会大幅增加工程造价，不利于工程设计经济性的发挥[3]。研究中根据闸墩应力的分布特征，在闸墩的外侧与坝体相接的部位进行尺寸的局部放大，也就是增设局部放大体，以提升该部位的刚度。其设计示意图如图1所示。

图1 局部放大体示意图

为了研究不同尺寸局部放大体对表孔结构应力的影响，研究中选择局部放大体的长度和宽度2个主要变量，设计2组不同的试验方案。第一组试验方案为保持局部放大体的宽度为4m不变，设计局部放大体的长度分别为2.0、4.0、6.0、8.0m，分别记为方案1—4。对上述4种方案的表孔结构典型部位的应力进行计算，以获得最佳的局部放大体长度值。第二组试验方案为保持局部放大体的长度为4m不变，对局部放大体的宽度分别为2.0、4.0、6.0和8.0m，分别记为方案5—8，利用模型试验的方法对上述不同方案下的表孔结构典型部位的应力进行研究分析。在实验过程中将未设置局部放大体的原始方案作为对比方案(记为方案0)。

3 模型试验设计

3.1 模型材料

根据闸墩的设计资料，同时考虑模型制作的可行性以及测试结果的准确性，确定模型与原型之间的相似系数为1/10[4]。根据模型试验相似理论，能够反映原型受力全过程的模型材料和原型材料之间的应力和应变关系应该具有全过程相似性。模型制作过程中采用连续级配5～20mm的人工碎石配置混凝土，现浇成型，浇筑的顺序与闸墩施工方案相同[5]。混凝土用水泥为P.O.42.5普通硅酸盐水泥，细骨料选用河沙，细度模数为2.70；模型用钢筋选用的是直径6.5mm的圆形钢筋，数量和间距根据配筋率相同的原则进行换算；预应力钢筋采用的是直径5mm的高强度低松弛钢丝，其数量也根据相似性原则换算获取，混凝土用SK- 3引气型减水剂。

3.2 加载系统

闸墩在工作中所承载的荷载主要是闸墩自重、弧门推力、水压力以及预应力荷载[6]。在模型试验过程中，通过预应力由2台张拉千斤顶施加，并按照锚块和闸墩的顺序分别对称张拉；闸墩的弧形门受到的水推力由2个液压千斤顶施加；模型受到的侧向水压力由3个液压千斤顶施加；模型的自重由2个液压千斤顶施加。上述所有的千斤顶由传感器通过静态电阻应变仪读数进行精确控制。

3.3 测试系统

试验过程中的数据由电阻应变片通过传感器获取，结合相关研究成果和经验，在模型的关键部位设置184个应变片和应变计[7]。其中，闸墩左侧和右侧表面共设置130个混凝土应变片。主要用于测试闸墩混凝土的表面应变，在闸墩的内部和预应力筋部位共设置49个钢筋应变片，用于测试钢筋的应变，在混凝土内部埋设5个混凝土应变计，用于测试闸墩颈部的应变。所有的电阻应变片均采用Solartron数据采集仪，以获取试验过程中的应力应变数据[8- 14]。

4 计算结果与分析

4.1 局部放大体的长度优化

利用制作的不同方案的闸墩模型，对第一组计算方案闸墩内侧面、闸墩外侧面、溢流堰以及坝顶连接梁等4个主要部位的应力进行模型试验，从试验结果中提取拉应力和压应力的最大值，结果见表1。

由表中的结果可知，除了溢流堰拉应力和闸墩外侧压应力之外，表孔结构主要部位的压应力和拉应力均随着局部放大体长度值的增加而减小。这说明，增设局部放大体对降低表孔结构的应力水平，提高拱坝结构的安全度具有重要作用。同时，表孔结构主要部位的压应力和拉应力均随着局部放大体长度值的增加而迅速减小，然后减小幅度逐渐减小而趋于稳定。以闸墩内侧的拉应力和压应力为例，与方案1相比，方案2、方案3和方案4的拉应力值分别减小了17.7%、19.57%、20.8%；压应力值分别减小了6.9%、8.9%、9.4%。由此可见，方案2和方案1相比，拉应力和压应力减小幅度较大，优化效果十分明显，随着局部放大体长度值的进一步增加，方案3和方案4的拉应力和压应力的减小幅度极为有限，进一步优化效果并不明显。因此，综合表孔结构的应力水平以及经济性特征，认为方案2为第一组计算方案中的最佳方案，也就是局部放大体长度的最佳值为4.0m。

表1 主要部位应力最大值计算结果(长度优化) 单位：MPa

4.2 局部放大体的宽度优化

利用制作的不同方案下的闸墩模型，对第二组计算方案下闸墩内侧面、闸墩外侧面、溢流堰以及坝顶连接梁等4个主要部位的应力进行模型试验，从试验结果中提取拉应力和压应力的最大值，结果见表2。

由表中的结果可知，除了溢流堰拉应力和闸墩外侧压应力之外，表孔结构主要部位的压应力和拉应力均随着局部放大体宽度值的增加而减小。表孔结构主要部位的压应力和拉应力均随着局部放大体宽度值的增加而逐步减小，说明局部放大体宽度越大，对改善表孔结构的受力状态越有利。以闸墩内侧的拉应力和压应力为例，与方案1相比，方案2、方案3和方案4的拉应力值分别减小了9.3%、25.3%、28.5%；压应力值分别减小了8.2%、12.7%、16.5%。鉴于各方案闸墩内侧的应力值较高，且方案4与方案2相比增加的混凝土用量约724m3，成本增加并不大。因此，综合表孔结构的应力水平以及经济性特征，认为方案4为第二组计算方案中的最佳方案，也就是局部放大体宽度的最佳值为8.0m。

表2 主要部位应力最大值计算结果(宽度优化) 单位：MPa

5 结论

工程经验表明，对于较大尺寸的表孔，闸墩、支撑结构以及溢流堰等部位的受力条件十分复杂，如果体型设计不合理，极易诱发表孔局部混凝土开裂，影响大坝的运行安全。本次研究以某水电站为例，利用模型试验的方法，研究了设置局部放大体表孔位置对表孔结构应力的影响，认为增设局部放大体对降低表孔结构的应力水平具有重要作用，并给出了局部放大体的最佳尺寸设计方案，可以为本工程以及相关类似工程设计提供有益的支持和借鉴。当然，本次研究通过室内模型试验的方式进行，难以对工程实际进行十分精确的模拟。因此，设计思路和方案的有效性有待通过数值模拟和工程实践检验的方式予以进一步的验证。