阿尔塔什表孔溢洪洞控制段三维有限元静力分析

孟 涛,郭荣福，田茂刚，刘 涛

(1.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司，新疆 喀什 844000；2.新疆水利水电勘察设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

表孔溢洪洞控制段作为整个水利枢纽的重要组成部分，直接影响到溢洪洞的正常工作，对整个枢纽工程的安全运行至关重要，因此，控制段闸室的安全稳定成为溢洪洞设计的关键[1]。传统溢洪洞控制段闸室的结构计算方法是将闸室中的各部件分开计算，这种方法简单便于理解，但是闸室各部位分开计算以后不能反映控制段结构的整体效应，传统方法过于繁琐。采用大型有限元软件建立闸室段实体计算模型，对不同的工况分别进行静力计算，对比分析位移变化趋势[1- 3]

采用大型有限元软件对控制段闸室的应力、位移、抗滑稳定进行了三维有限元分析，为溢洪道闸室结构的设计和施工提供了理论依据[4- 6];张元泽基于大型通用有限元软件ANSYS，建立精细三维有限元模型模拟分析了猴子岩水电站进水口闸室在运行期不同工况作用下的应力及变形规律[7];通过建立进水口塔群三维网格模型，进行阿尔塔什水电站联合进水口塔群三维有限元静动力分析[8]。以上为各类闸室采用的三维有限元计算分析，说明三维计算分析是控制段闸室安全运行的可靠处理手段[9- 11]。为模拟溢洪洞控制段在实际工作中的运行状态，需要弄清楚控制段闸室在不同运行工况下的位移变化情况，本文通过三维有限元方法计算，分析计算控制段闸室的整体稳定性[12- 16]。

1 工程概况

阿尔塔什水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区南疆喀什地区莎车县霍什拉甫乡和克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克陶县的库斯拉甫乡交界处，是叶尔羌河干流山区下游河段的控制性水利枢纽工程，是叶尔羌河干流梯级规划中“两库十四级”的第十一个梯级，在保证塔里木河生态供水条件下，具有防洪、灌溉、发电等综合利用功能。工程区地震烈度高，基岩裸露，坡高100m，自然坡度30°～40°，岩性为灰岩夹页岩，岩层走向与洞脸边坡交角20°，岩层倾向坡外，控制段体积较大，最大高度33m。

表孔溢洪洞位于左岸山体中，设计洪水位时，表孔溢洪洞单洞泄流量为1984.03m3/s，校核洪水位时，单洞泄流量为2353.54m3/s。溢洪洞由引渠段、控制段、斜井段、平洞段、出口明槽段、出口挑流消能段和出口护坡段等组成。控制段全长40.5m，前10m为独立的导水墙，导水墙顶高程为1823.69m，控制段闸顶高程1827.000m。控制段设开敞式WES堰，堰宽15m，堰顶设工作弧形闸门一道，闸门尺寸15m×14.5m，工作闸门前设平板检修闸门一道，操作平台上设闸房。控制段采用C30钢筋混凝土结构，边墙厚2.5m。控制段底部基础固结灌浆孔间、排距2m，深入基岩4m，Φ25砂浆锚杆间，长4.5m，伸入基岩3.5m。控制段两侧岩体开挖边坡1∶0.3，沿高程10m高度设一级马道，控制段两侧回填C15素混凝土。溢洪洞控制段现场照片如图1所示。

图1 控制段现场照片

2 计算分析模型

2.1 计算工况和方法

控制段结构三维有限元计算分析主要工况：

(1)竣工期工况，控制段与边坡之间的混凝土回填等均施工完毕，施加金属结构及塔顶启闭设施重量。

(2)正常运用期工况，水库蓄水至正常蓄水位1820m。

2.2 网格模型

三维有限元网格精确地模拟了表孔溢洪洞控制段结构混凝土和回填混凝土分区，模拟了基岩和进水口边坡，使模型中节点累计约8.594万个，单元约7.745万，其中全部单元均是六面体网格，控制段三维整体网格模型如图2所示。

图2 控制段三维整体网格模型

2.3 计算荷载

本次计算考虑作用在控制段上完建期的荷载有：控制段自重、静水压力、浪压力、扬压力、金属结构自重(施加金属结构及塔顶启闭设施重量、弧形闸门荷载)[17- 18]。见表1。

表1 各工况荷载组合

2.4 材料参数和模型

闸井基础处在弱风化灰岩岩体内，基础承载力标准值1.0～1.2MPa。参考地质勘查报告的岩体力学参数建议值，确定计算参数见表2。

表2 料的力学参数

3 控制段计算成果分析

根据规范要求控制段地基在各种运用情况下均应满足承载力、稳定和变形的要求。控制段计算应根据地基情况、结构特点及施工条件进行。本项目通过三维有限元方法计算分析，计算控制段在静力况下的位移、应力等情况，评价控制段整体稳定性，并明确山岩对控制段的推力及控制段相应部位应力值云图。本次仅计算竣工期和正常运用期2个工况下表孔溢洪洞控制段的位移应力等情况[19]。

3.1 完建期控制段成果分析

在溢洪洞控制段闸室的分析计算中，模拟分析了对控制段垂直水流向位移、顺水流向位移和竖直向位移和应力的计算情况[20- 21]，控制段闸室各向位移云图如图3—5所示。

图3 完建期工况控制段垂直水流向位移(单位：m)

图4 完建期工况控制段顺水流向位移(单位：m)

图5 完建期工况控制段竖直向位移(单位：m)

控制段闸室各向位移计算中，控制段的位移量通过建模计算可知，垂直水流向位移：控制段顶部向内移量约0.12mm，底部围岩向左、右偏移约0.1mm；顺水流向位移：控制段出口处向下游偏移约0.09mm；竖直向位移：控制段顶部前端大梁向下位移约2.2mm，控制段沉降约1.2mm。在竣工期，由于控制段的重心均位于前端，在重力作用下，控制段均向上游偏移0.2mm，由于自重作用，前端大梁由于体型的较后面主梁的要小，所以竖向位移最大。

完建期工况控制段拉应力和压应力如图6—7所示。

图6 完建期工况控制段拉应力(单位：Pa)

图7 完建期工况控制段压应力(单位：Pa)

完建期工况，控制段极少部位拉应力超过1MPa，基本位于闸室角缘处，由应力集中所致。闸井上部结构拉应力均低于0.4MPa。闸室底板拉应力略大，底板中部下侧有超过0.5MPa的区域。控制段绝大多数部位的压应力低于2MPa，闸室前边墙压应力有超过2MPa的部位，但不超过5MPa。角缘处因应力集中而产生的压应力为9.8MPa，不具代表性。

综合以上，在竣工期，控制段闸井上部结构的混凝土拉应力低于0.2～0.4MPa，闸室底板拉应力略大，有超过0.5MPa的部位，但低于1MPa。混凝土压应力仅闸室前室的边墙和导墙略大，其值在2～5MPa范围内，是由塔体重心位于塔前部所致。

由图8中通过基底压力的分布情况可以看到，在完建期工况，由控制段以及弧门自重向基地传递下来的竖向力为16210t，水平方向的力为1807t。控制段底板直接与基岩接触。基底压力情况如下：前齿槽底1.08MPa，闸室前室底板0.68MPa，闸室中部0.63MPa，闸室后室0.60MPa，后齿槽底0.25MPa。

图8 完建期工况控制段基岩压力分布及顺水流推力和竖向力(单位：Pa、N)

基岩在干燥状态下抗压强度为1.0～1.2MPa、内聚力C为1.4MPa、内摩擦角Φ为40.5°。在竣工期，整个边坡和基岩无塑性变形发生，进水口混凝土结构基底压力远小于基岩抗压强度，所以，在完建期工况，基岩具有足够的承载能力[22- 23]。

3.2 正常运行期成果分析

水库蓄水至正常蓄水位1820m、施加金属结构及塔顶启闭设施重量、浪压力、风压力、挡水闸门荷载；正常运行工况混凝土结构被水淹没，采用特殊边界模拟结构被水体淹没后产生的浮托力，以便可以更加真实的反应结构在运行工况时，计算混凝土底板在受到浮拖力后的应力状态以及基础底部压应力状态，同时考虑塔体、回填混凝土与围岩的相互耦合作用以及不同材料间的接触作用，减少产生不真实的拉应力区域，以便更真实的模拟塔体与结构之间的相互作用[24- 25]。由于篇幅限制，正常运用工况下各应力云图不再赘述，控制段各位移和应力见表3。

表3 表孔溢洪洞控制段有限元计算成果表

4 结语

采用三维有限元法对阿尔塔什控制段结构进行静力计算分析研究，主要结论如下。

(1)完建期和正常运行期工况控制段竖向位移最大值分别为1.2mm和2.36mm，底板上、下部混凝土拉应力均低于1MPa，角缘处因应力集中而产生的压应力超过5MPa，不具代表性；由此可见控制段在不同工况下各向位移和应力均满足规范要求。

(2)通过基底压力的分布情况可知，完建期和正常运行期工况控制段基础混凝土压应力均远小于基岩抗压强度，由此可见控制段在不同工况下均处于稳定状态。

(3)本工程目前已蓄水运行，从现场监测数据结果与三维有限元计算成果基本吻合。表明计算方法具有较强的适用性和实用性，可为类似的计算提供有益参考。