新疆托克逊县某水库放空冲沙兼导流洞有限元配筋分析

曹 凯

(吐鲁番市清源水利水电勘测设计院有限公司，新疆 吐鲁番 838000)

1 工程概况

新疆托克逊县某水库主要任务为农业灌溉和工业供水，遏制灌区地下水超采，是一座具有综合效益的水库枢纽工程[1]。放空冲沙兼导流洞布置在河床的右岸，是一条具有多种用途的水工隧洞。放空冲沙兼导流洞在水库大坝工程截流后的施工过程中承担施工导流任务，在水库完建后，正常运行期间由该隧洞完成冲沙、放空任务[2]。

2 计算依据及计算条件

2.1 计算断面及模型

放空冲沙兼导流洞总长426.91 m，其中桩号0+000～0+121.97，全长121.97 m，为有压段，断面形式采用3 m×3.5 m城门洞型，有压段隧洞采用钢筋砼衬砌，衬砌厚度为0.6 m，桩号0+111.97～0+121.97为渐变段，由3 m×3.5 m城门洞型渐变为3 m×3.5 m的矩形断面；桩号0+121.97～0+141.07为工作闸井段，总长为19.1 m；桩号为0+141.07～0+426.91，总长为285.84 m，为无压段，断面形式采用3 m×4.0 m城门洞型，无压段隧洞采用钢筋砼衬砌，衬砌厚度为0.6 m，桩号0+141.07～0+151.07为渐变段，由3 m×4.0 m矩形断面渐变为3 m×4.0 m的城门洞型[3]。本次隧洞采用典型断面计算，见图1；隧洞有限元计算模型计算见图2。

图1 隧洞的典型计算断面

图2 隧洞的有限元计算模型

2.2 配筋计算原理

放空冲沙兼导流洞的配筋计算依据《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)中6.4 正截面受拉承载力计算；裂缝宽度验算依据《水工隧洞设计规范》(SL279-2016)附录D混凝土衬砌裂缝宽度计算[4]。

2.3 计算软件

大型通用有限元软件ADINA(Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis)具备较丰富的材料库、高效的非线性求解器、卓越的流固耦合分析功能以及完备的前后处理模块，已广泛应用于土木、水利、航空、机械等领域的工程仿真分析中。由于ADINA能方便地模拟分期开挖、填筑施工、接触等复杂的工程问题，已在岩土工程领域得到广泛应用[5]。

2.4 计算工况及参数

2.4.1 计算工况

本文仅针对某水库导流洞的两类典型断面进行分析，对于进出口段的隧洞断面需要进行详细的三维有限元整体分析[6]，荷载分项系数见表1，有压隧洞工况荷载组合见表2，无压隧洞工况荷载组合见表3。

表1 荷载分项系数

表2 有压隧洞工况荷载组合

表3 无压隧洞工况荷载组合

2.4.2 计算参数

结合工程地质情况及结构设计，确定隧洞计算材料参数，见表4。

表4 衬砌混凝土及钢材材料参数

3 有限元计算结果

通过大型通用有限元软件ADINA计算出隧洞的最大拉应力，见表5及图3。

表5 隧洞最大拉应力

图3 隧洞的有限元计算结果

4 配筋及裂缝宽度计算

利用应力积分的原理求取隧洞的内力，并依据规范完成隧洞的配筋计算。具体过程见表6。

表6 配筋及裂缝宽度验算表

5 结 论

依据《水工隧洞设计规范》(SL279-2016)和《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)，按正常使用极限状态对衬砌结构进行限裂设计，通过利用大型通用有限元软件进行分析计算，对于有压隧洞，衬砌厚0.6 m的断面，配筋的控制工况为校核工况，确定配筋方案为内外各配5φ25@200；对于无压隧洞，衬砌厚0.6 m的断面，配筋的控制工况为施工导流工况，确定配筋方案同样为内外各配5φ25@200。结果为隧洞配筋计算提供理论依据。