深大直径调压井检修门闸墩结构优化

靳俊杰,邵 祥,张利平,李明乐 ,石广斌

(1.中国电建集团水电工程十一局有限公司，郑州 450001；2.中国电建集团水电工程五局有限公司，成都 610066；3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；4.西安建筑科技大学，西安 710055)

0 前 言

国外某引水式电站的引水系统主要建筑物包括进水口、引水隧洞、调压井和压力管道。引水隧洞总长约5.2 km，衬砌后直径11.4 m，在引水隧洞末端约4.5 km处布设开敞式调压井。调压井采用阻抗式，井筒断面内径为32 m，开挖底部高程为481.50 m，井顶高程为615.00 m，钢筋混凝土衬砌厚2.0 m。调压井底部引水隧洞分岔为5条压力管道，每条压力管道进口设置1道检修门和1道事故闸门，孔口尺寸均为4.8 m×4.8 m(宽×高)，检修闸门槽与调压井联通即同在1个大井内，检修闸门闸墩高116.9 m；事故闸门位于下游事故闸室内，事故闸室与检修门槽之间是一道3.25 m厚的钢筋混凝土墙。调压井开挖断面为圆形+扇形异形结构，最大开挖直径为50.8 m，开挖深度为133.2 m。阻抗板顶面高程为498.40 m，底面高程为495.40 m，厚度为3.0 m。调压井最高涌浪为612.30 m，最低涌浪为500.79 m，阻抗板以上井筒作用的最大水头为113.9 m。

由于压力管道检修门闸墩与调压井同在1个大井内，钢筋混凝土衬砌断面为半圆形+凸凹扇形结构。按常规设计要在检修闸门槽上游设置胸墙或连系梁[1]，将会给井筒混凝土滑模浇筑带来困难和不便。而本工程检修门闸墩高度为116.9 m，井筒最大PD=4 450 m2，国内外较为少见，可借鉴工程经验较少，取消检修闸门槽上游设置的胸墙或连系梁，将会给结构受力带来不利，也可能对钢筋混凝土结构承载能力带来安全风险等。因此，本文采用三维有限元法，基于不同检修闸门的闸墩结构应力分析和钢筋混凝土结构承载能力极限状态计算，对调压井检修门闸墩结构体系进行优化，为便于进行滑模施工，降低潜在安全风险提供支撑。

1 检修门闸墩结构体形拟定

根据结构需要完成的预定功能和检修闸门的体形以及调压井稳定断面及阻抗孔直径，拟定了3种检修门闸墩结构，如图1～3。方案1是在检修门槽前设置2.0m厚的胸墙，在阻抗板中心处设置阻抗孔，直径为7.0 m，体形示意如图1。方案2是在检修门槽上游，沿高度方向上每隔4.5 m设置1道连系梁，梁截面为2.0 m×2.0 m(宽×高)，阻抗板不设阻抗孔，由检修门槽代替，体形示意如图2。方案3是在方案2基础上取消检修门槽上游的连系梁，体形示意如图3。

图1方案1结构体形示意 单位：m

图2方案2结构体形示意 单位：m

图3方案3结构体形示意 单位：m

表1 设计工况和荷载分项系数

表1中的工况A为正常运行，内水水位579.00 m。工况B为最高涌浪，内水水位：612.30 m。工况C为阻抗板向下最大压差为6.19 m，内水水位为587.35 m。工况D为阻抗板向上最大压差为17.72 m，内水水位为575.53 m。工况E为检修口，外水水位为505.00 m。所有荷载均需乘以水力因子Hf=1.3。

2 材料参数

调压井井筒衬砌和检修门槽闸墩结构混凝土材料力学参数见表2。钢筋强度和弹性模量见表3。

表2 衬砌混凝土材料力学参数

表3 钢筋强度和弹性模量

本工程调压井位于山梁部位，其地下水排泄条件较好，调压井整体位于地下水位以上。调压井高程570.00 m以上岩体稳定性差，为Ⅳ类围岩，506.00～570.00 m段岩体稳定性一般，为Ⅲ类围岩，断层破碎带及裂隙密集带段为Ⅳ类围岩，调压井围岩的物理力学参数见表4。

表4 调压井围岩物理力学参数

3 结构应力三维有限元计算分析

3.1 三维有限元模型

地下混凝土结构与围岩之间的相互作用的受力机制是非常复杂的，目前这类结构受力分析主要借助有限元[4-9]。本文依据调压井混凝土结构拟定体型图，构建三维有限元数值分析模型如图4～5。调压井周边到计算边界的最小距离为170.0 m，调压井最低建基面到计算模型底部的距离为141.5 m。模型采用迭卡尔直角坐标系，符合右手螺旋定则，X轴顺水流方向，指向下游为正；Y垂直水流方向，左手为正(面向下游)；Z轴为竖直方向，指向上为正。

图4 围岩单元网格示意

混凝土结构用6面体或5面体单元单元模拟，单元边长约为0.8～1.5 m。围岩用4面体单元来模拟，单元边长1.0～35.0 m。用接触单元模拟围岩和混凝土结构之间的接触。模型底面为固定约束，4个侧面为法向约束，地表为自由面。

图5 混凝土结构单元网格示意

3.2 结构应力计算分析

限于篇幅，本文就工况B的结构应力分布状态进行阐述，混凝土结构承载能力极限状态计算也是针对该工况。3种结构体系对检修门槽附近(如图6中的阴影区)拉应力分布区域及极值大小有明显的影响。当没有胸墙或连系梁时，门槽下游直角点(即图6中的F和G等)环向拉应力明显偏大，如图7。方案1上游墙上的环向拉应力最大值达到2.56 MPa，大于混凝土抗拉强度2.01 MPa，此时检修闸门槽上游墙必然开裂，内力也就转移到检修门槽下游墙上，若其承载能力配筋不足，将会增加检修门槽下游墙的不安全性；同样，方案2梁上的环向拉应力最大值达到4.90 MPa，也远大于混凝土抗拉强度标准值，此时连系梁也必然开裂，内力同样要转移到检修门槽下游墙上，相对于方案1，转移的内力要少一些，图7(a)和图7(b)可以验证这一点。当不设置上游胸墙或连系梁后，检修闸门槽直角部位的拉应力虽然会有一定程度的增加，但从受力筋和构造筋两个方面可解决结构承载能力问题。

图6 高程513.00 m以上截面

图7 高程520.00 m截面环向应力 单位：MPa

图6中的A、B、C、D、E、F、G等6个观测点的拉应力统计见表5，其变化趋势见图8。从图8中可以清楚地看出，检修门槽上游是否设置墙或连系梁，对检修门槽下游直角处附近拉应力影响最大，相对于方案3，设置上游胸墙，门槽直角处的拉应力降幅可达到16.3%～49.9%，影响非常明显；设置连系梁，其拉应力降幅为2.4%～23.5%，影响比较明显；而对于上游半圆混凝土衬砌结构，检修门槽设置上游墙时，其拉应力降幅为2.2%～10.6%；设置连系梁，其拉应力降幅为2.5%～3.3%，影响较小。

表5 观测拉应力统计 /MPa

图8 观测点拉应力变化

3.3 承载能力极限状态计算

按内力法对混凝土结构承进行载能力极限状态计算[10]，关键截面配筋计算结果见表6。

表6 配筋计算结果

从表6可以清楚看出，3种方案中，方案3典型截面配筋最少。相对于方案3，方案1和方案2增加的配筋面积分别为13.6%和10.0%，主要原因是方案3的闸墩在水平平面上的刚度相对较小，相反传递到围岩上的内水压力会增加，充分利用了围岩的抗力作用。

综上所述，3种方案中，方案3配筋最少，体形上又便于施工，而检修门闸墩仅靠围岩，可以做到充分利用围岩抗力作用，降低混凝土结构自身的内力转移而造成检修闸门槽下游墙配筋的不足，同时也就消除了因内力转移所引起的结构安全风险，因此，确定方案3为推荐方案。

4 结 论

(1) 采用三维有限元对调压井衬砌和检修门闸墩结构与围岩相互作用应力分析得出，检修门槽上游设置的胸墙或连系梁对闸墩结构应力分布影响比较明显，去之可以充分利用围岩的抗力，降低结构自身内力转移所带来的安全风险。

(2) 在结构应力分析和钢筋混凝土结构承载能力极限状态计算基础上，确定检修门槽上游不设置胸墙或连系梁的结构体系是安全的。

工程已采用了在检修闸门槽上游不设置胸墙或连系梁，实现了调压井上部井筒混凝结构整体滑模浇筑，不仅提高混凝土施工速度，而且获得了良好的经济效应，值得同类工程借鉴。