導(dǎo)流底孔結(jié)構(gòu)受力分析與壩上游面拉應(yīng)力控制措施

程 宵,蘇 凱,伍鶴皋

(武漢大學(xué)水資源和水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072)

底孔導(dǎo)流是水利水電工程建設(shè)中常見的導(dǎo)流形式之一[1-2]。該導(dǎo)流方式要求混凝土建筑物在施工過程中允許過流,采用底孔與缺口泄流的導(dǎo)流方式較為經(jīng)濟(jì)合理[3]。但這種導(dǎo)流方式亦存在一定的缺陷,其一是底孔封堵困難,其二是底孔開孔率大,且存在底孔、各種高程缺口雙重過水及后期高水頭度汛等復(fù)雜過水情況,泄洪量大,流速大,運(yùn)行工況復(fù)雜[4],因此底孔的設(shè)計(jì)必須保證其在施工期、正常運(yùn)行期、后期度汛及封堵期的結(jié)構(gòu)安全可靠。筆者以某水電站導(dǎo)流底孔邊孔壩段為例,利用大型有限元軟件建立三維有限元數(shù)值模型,對(duì)導(dǎo)流底孔壩段結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和壩上游面的拉應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析,針對(duì)大壩上游面產(chǎn)生較大范圍的橫河向拉應(yīng)力這一現(xiàn)象展開研究,并在此基礎(chǔ)上提出了減小混凝土壩上游面拉應(yīng)力的方法,可為相關(guān)工程導(dǎo)流底孔的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況與計(jì)算模型

1.1 工程概況

某工程在左岸布置 4個(gè)8.00m×12.50m(寬×高)的導(dǎo)流底孔,底孔斷面采用有倒角的矩形,導(dǎo)流底孔底板高程為188.00m,底孔長(zhǎng)73m。導(dǎo)流底孔進(jìn)水口采用整體澆筑,與孔身段(壩內(nèi))之間進(jìn)行分縫施工,分縫位置如圖1所示。

1.2 計(jì)算模型

本文以左岸導(dǎo)流底孔邊孔壩段為研究對(duì)象,建立有限元計(jì)算模型,如圖2所示。結(jié)合大量經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果分析,基巖深度(y方向)取為60m(1倍壩高);上下游方向(z方向)基巖各按壩體底部寬度的1倍考慮,取為59.15m?；鶐r左右兩側(cè)、上下游端面以及底部均采用法向位移約束。大壩兩側(cè)分縫為自由邊界。

圖1 導(dǎo)流底孔縱剖面(單位:m)

圖2 整體模型網(wǎng)格

計(jì)算模型中的混凝土與基巖均采用八節(jié)點(diǎn)等參單元(SOLID45)模擬;在結(jié)構(gòu)分縫位置,則采用面-面接觸單元(targe170,conta174)進(jìn)行模擬。其中,混凝土與基巖材料均為線彈性材料。

2 封堵期結(jié)構(gòu)受力與變形分析

封堵期計(jì)算工況下,導(dǎo)流底孔下閘,表孔不溢流,且底孔未回填,上游洪水位為250.00m,下游無水,壩基防滲系統(tǒng)已形成。導(dǎo)流底孔結(jié)構(gòu)所受荷載有結(jié)構(gòu)自重、土壓力和水荷載等,其中,水荷載包括壩上游面靜水壓力、大壩兩側(cè)縫內(nèi)靜水壓力、底孔內(nèi)壁測(cè)壓管水頭對(duì)應(yīng)的靜水壓力、壩基揚(yáng)壓力、底孔閘門水推力和表孔弧形閘門水推力等。

在上述荷載作用下,封堵期大壩主要發(fā)生向下游變形和向底孔右側(cè)橫河向變形,在壩頂橫河向(x方向)位移最大達(dá)1.6mm。在底孔孔口閘門槽位置橫河向拉應(yīng)力最大達(dá)2.634MPa,壩體橫河向應(yīng)力數(shù)值也較大 ,為-0.46～1.38MPa。

同時(shí),計(jì)算結(jié)果表明,壩上游面出現(xiàn)了較大范圍的拉應(yīng)力區(qū),主要出現(xiàn)在底孔底板高程以上的部位,表現(xiàn)為橫河向拉應(yīng)力,拉應(yīng)力數(shù)值范圍為0.03～0.85MPa。對(duì)于 203.50m高程斷面,橫河向拉應(yīng)力數(shù)值范圍為0.01～0.44MPa,靠近壩上游面最大,往下游拉應(yīng)力逐漸減小。

一般重力壩在水壓力作用下,由于泊松比效應(yīng),除了壩踵部位外壩上游面以壓應(yīng)力為主。而本文計(jì)算中由于有導(dǎo)流底孔的存在,壩上游面出現(xiàn)了橫河向的拉應(yīng)力,且范圍較大,最大值達(dá)到了0.85MPa,如果考慮溫度應(yīng)力等因素,則大壩上游面的混凝土抗裂安全度明顯不足,可能產(chǎn)生裂縫[5-6],不利于大壩的安全[7-10],因而筆者針對(duì)這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因展開分析,并嘗試提出應(yīng)對(duì)措施。

3 壩上游面出現(xiàn)拉應(yīng)力的原因

針對(duì)壩上游面產(chǎn)生較大范圍的拉應(yīng)力這一現(xiàn)象,筆者首先從結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載著手分析,將荷載分為2類:一類為壩體自重、土壓力;另一類為水荷載。由于水荷載較為復(fù)雜,筆者又將其細(xì)分為2部分,以便于分析水荷載產(chǎn)生壩上游面拉應(yīng)力的原因,詳見表1。

表1 荷載分類

a.在①類荷載作用下,由于邊孔壩段導(dǎo)流底孔結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性,大壩有向孔口右側(cè)傾斜的趨勢(shì)(即有橫河向的傾斜趨勢(shì)),橫河向最大位移為1.44mm。在底孔頂板高程以下壩面表現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài),而在底孔頂板高程以上壩上游面出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)域,拉應(yīng)力數(shù)值范圍為 0.01～0.27MPa,如圖 3(a)所示。對(duì)于203.50m高程斷面,拉應(yīng)力數(shù)值為 0.01～0.20MPa,上游側(cè)拉應(yīng)力最大達(dá) 0.2MPa,往下游逐漸減小,如圖4(a)所示。

b.在②類荷載作用下,孔口有向右岸變形的趨勢(shì),橫河向最大位移為1.55mm。孔口底板高程以上的上游壩面出現(xiàn)了較大的橫河向拉應(yīng)力,數(shù)值為0.05～0.91MPa,超過了所有荷載共同作用下壩上游面的拉應(yīng)力 0.85 MPa,如圖 3(b)所示。對(duì)于203.50m高程斷面,拉應(yīng)力數(shù)值為0.025～0.75MPa,上游側(cè)拉應(yīng)力最大為0.75MPa,往下游逐漸減小,如圖4(b)所示。

圖3 壩上游面橫河向應(yīng)力等值線(單位:MPa)

圖4 203.50m高程橫河向應(yīng)力等值線(單位:MPa)

c.在③類荷載作用下,底孔閘門槽位置出現(xiàn)了較大的橫河向拉應(yīng)力,最大值為1.62MPa,但壩上游面僅在孔口中下部產(chǎn)生了0.006～0.10MPa的拉應(yīng)力,如圖3(c)所示。對(duì)于 203.50m高程斷面,拉應(yīng)力數(shù)值為0.03～0.26MPa,與在自重作用下的壩面應(yīng)力數(shù)值差不多,如圖4(c)所示。

為進(jìn)一步分析壩上游面產(chǎn)生拉應(yīng)力的原因,筆者將以上3種荷載情況下典型高程斷面的應(yīng)力數(shù)值列于表2。

從表2可以看出:①類荷載中的自重和②類荷載中的靜水壓力(尤其是導(dǎo)流底孔壩外孔身段外表面水壓力的水平分量)是壩上游面產(chǎn)生拉應(yīng)力的主要原因。其中,自重引起的孔口頂板高程以上的壩上游面產(chǎn)生拉應(yīng)力,高程越高,自重產(chǎn)生的拉應(yīng)力所占比例越顯著。例如203.50m,205.50m和210.00m高程處,自重產(chǎn)生的拉應(yīng)力分別為0.21MPa,0.18MPa,0.15MPa,分別占總拉應(yīng)力的26%,42%和94%。靜水壓力引起孔口頂板高程四周的壩上游面產(chǎn)生拉應(yīng)力,例如 203.50m高程處,靜水壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力為0.64MPa,占總拉應(yīng)力的80%;199.50m高程處,靜水壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)0.69MPa。

表2 典型高程控制斷面拉應(yīng)力分布

4 減小壩上游面拉應(yīng)力的措施

從第3節(jié)的分析結(jié)果可以看出,壩上游面產(chǎn)生較大范圍的拉應(yīng)力是底孔壩外孔身段水壓力與大壩兩側(cè)約束條件共同造成的,針對(duì)這一問題,筆者提出以下2種措施:①在滿足施工布置等方面要求的同時(shí),將導(dǎo)流底孔進(jìn)水口與孔身段的分縫位置移至壩上游面平齊位置,建議分縫位置見圖5。②考慮大壩兩側(cè)縫內(nèi)填縫材料的作用。通常大壩兩側(cè)縫內(nèi)會(huì)設(shè)填縫材料,對(duì)大壩兩側(cè)橫河向變形有一定的約束作用。

對(duì)于措施①,當(dāng)分縫位置移至壩上游面平齊位置時(shí),壩上游面拉應(yīng)力最大值為0.5MPa,相比之前減少了41%,證實(shí)采取此措施減小拉應(yīng)力效果顯著,具體應(yīng)力分布如圖6所示。對(duì)于措施②,本文分別計(jì)算了填縫材料彈性模量為2MPa,3MPa,4MPa的方案,結(jié)果見表 3,其中填縫材料彈性模量為3MPa時(shí)的壩上游面應(yīng)力分布如圖7所示。

圖5 導(dǎo)流底孔建議分縫位置示意圖

表3 不同墊層材料計(jì)算方案壩上游面拉應(yīng)力的比較

由表3和圖7可以看出:壩段分縫間采用的填縫材料彈性模量越大,減小壩上游面拉應(yīng)力的效果越顯著。例如203.50m高程處,在壩段分縫間不設(shè)填縫材料時(shí)拉應(yīng)力為 0.80MPa,設(shè)置彈性模量為2MPa,3MPa和4MPa的填縫材料時(shí),壩上游面拉應(yīng)力分別為0.22MPa,0.12MPa,0.06MPa,分別減小了72.5%,85%和92.5%。

圖6 采用措施①后的壩上游面橫河向應(yīng)力(單位:MPa)

圖7 采用措施②后的壩上游面橫河向應(yīng)力(單位:MPa)

5 結(jié) 論

a.對(duì)于有混凝土導(dǎo)流底孔的邊孔壩段,封堵期間將在壩上游面產(chǎn)生較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)域,其中底孔壩外孔身段四周靜水壓力是引起壩上游面產(chǎn)生拉應(yīng)力的主要原因。

b.當(dāng)在大壩兩側(cè)縫內(nèi)增設(shè)填縫材料時(shí),可以限制邊孔壩段壩體在自重作用下向右岸傾斜的趨勢(shì),明顯減小壩上游面拉應(yīng)力的數(shù)值與范圍,且填縫材料的彈性模量越大,減小壩上游面拉應(yīng)力的效果越顯著。

c.當(dāng)導(dǎo)流底孔進(jìn)水口段與壩內(nèi)孔身段間的分縫位置移至上游壩面平齊位置時(shí),可以避免封堵期間導(dǎo)流底孔壩外孔身段外側(cè)水壓力的水平分量傳遞至上游壩面,壩上游面的拉應(yīng)力數(shù)值可以降低41%左右,效果顯著,因而建議在滿足布置要求時(shí)采用此措施。

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