坪底水庫底孔壩段應(yīng)力分析

閆國保

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 坪底水庫底孔壩段情況概述

坪底供水工程取水樞紐地處屈產(chǎn)河中游坪底河段。水庫總庫容744萬m3，控制流域面積978 km2，是一座以生產(chǎn)、生活供水為主，兼顧防洪的小（1）型水利工程。水庫樞紐為Ⅳ等工程，主要建筑物大壩、消力池及泵站為4級(jí)建筑物。

該工程主要由大壩和泵站等建筑物組成。大壩壩頂總長134.1 m，壩頂高程為839.5 m，最大壩高段建基面高程為802.0 m，最大壩高37.5 m。大壩由左、右岸擋水壩段、溢流壩段和底孔壩段4部分組成。根據(jù)泄洪排沙的要求，在靠近左岸（樁號(hào)0+070.45～0+098.45）設(shè)2個(gè)底孔壩段，每個(gè)均設(shè)有一泄流底孔，底孔斷面尺寸為6 m×6 m（寬×高），底板水平，其高程為813.0 m，全長22.5 m，出口設(shè)置壓坡段，洞頂坡度1∶6，出口斷面6 m×5.3 m（寬×高），下游通過直線段和反弧段與溢流段消力池相連。上游設(shè)進(jìn)水塔，進(jìn)水口四周采用1/4橢圓曲線，曲線方程為x2/60002+y2/20002=1，進(jìn)口設(shè)置檢修閘門1道，檢修平臺(tái)高程839.5 m，啟閉室為框架結(jié)構(gòu)。底孔出口設(shè)弧形工作閘門，采用液壓啟閉機(jī)。底孔水流最大流速達(dá)18.6 m/s，為防止高速夾砂水流損壞底孔混凝土結(jié)構(gòu)，洞底迎水面50 cm和側(cè)墻均采用C40HF抗沖磨混凝土。

底孔壩段橫縫間距14 m，中間設(shè)6 m×6 m（寬×高）的孔洞，每邊橫縫距底孔邊墻的距離僅4 m，在底孔壩段結(jié)構(gòu)上是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。作為設(shè)計(jì)者，主要關(guān)心兩個(gè)問題：一是底孔孔洞結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，并據(jù)此進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，二是整個(gè)底孔壩段的受力分析，并確定壩體是否滿足規(guī)范要求。因此，山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院委托河海大學(xué)水利水電學(xué)院采用三維有限元法計(jì)算。

2 荷載及工況

底孔壩段考慮的荷載：自重、閘門啟閉荷載、閘門重量、閘門推力、靜水壓力、動(dòng)水壓力、浪壓力、冰壓力及其他荷載；壩址位于6°地震區(qū)，可不考慮地震荷載。計(jì)算工況如下：

（1）正常蓄水位時(shí)閘門（工作門或檢修門）擋水，上游水位832.5 m，下游水位808.5 m；

（2）設(shè)計(jì)洪水位下底孔泄洪，上游水位833.12 m，下游水位817.79 m；

（3）校核洪水位下底孔泄洪，上游水位839.35 m，下游水位820.40 m；

（4）完建工況（未蓄水）。

3 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)《石樓縣坪底水庫供水工程技施設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告》及其他工程經(jīng)驗(yàn)，底孔壩段壩體、壩基的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 壩體、壩基材料參數(shù)表

4 應(yīng)力計(jì)算成果分析

坪底水庫供水工程取水樞紐底孔壩段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作性態(tài)復(fù)雜。采用彈性力學(xué)或彈塑性力學(xué)有限元法進(jìn)行計(jì)算分析，本次計(jì)算采用廣泛應(yīng)用的商業(yè)軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算。

三維有限元模型，計(jì)算坐標(biāo)系規(guī)定：X軸為順河流向（垂直壩軸線），指向下游為正；Y軸為垂直向，指向上方為正；Z軸為平行壩軸線，指向右岸為正。本次計(jì)算取了底孔壩段相鄰變形縫之間的壩段（0+070.45～0+084.45）建立三維有限元模型，不計(jì)相鄰壩段的影響。計(jì)算模型范圍如下：X方向，以壩軸線為零點(diǎn)，上下游分別各取壩踵和壩趾以外約1.5倍壩高；Y方向從壩基面（壩基高程為804.00 m）向下取1.5倍壩高；Z方向，取一個(gè)壩段，長為14 m。規(guī)定：應(yīng)力以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，單位為MPa。

4.1 底孔壩段結(jié)構(gòu)應(yīng)力及配筋

根據(jù)該工程的具體情況，沿順?biāo)鞣较蜻x取3個(gè)剖面即X=-5.5 m（底孔進(jìn)口），X=7.8 m（壓坡起點(diǎn)），X=12 m（底孔出口）。利用軟件ANSYS計(jì)算各工況下底孔結(jié)構(gòu)第一、第三主應(yīng)力分布以及X、Y、Z向的正應(yīng)力分部，具體見表2。

表2 底孔結(jié)構(gòu)各方向應(yīng)力極值表

由表2可知，在4種工況下，所選的3個(gè)剖面的σ1、σ3、σx、σy及 σz的最大值分別為0.801 MPa、-1.132 MPa、0.145 MPa、0.077 MPa及0.742 MPa，均小于C40混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=1.71 MPa及軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=19.1 MPa。因此，底孔洞壁C40混凝土滿足結(jié)構(gòu)的抗拉、抗壓要求，且結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力小于C40混凝土的設(shè)計(jì)值，該底孔洞壁是安全的。

對(duì)于底孔洞壁的配筋，依據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005）以及《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008）進(jìn)行計(jì)算配筋，結(jié)果如下：底孔洞身四周均按每米設(shè)置6根φ20的HRB335受力鋼筋，就滿足要求。

4.2 底孔壩段壩體應(yīng)力分析

根據(jù)應(yīng)力特點(diǎn)，壩體應(yīng)力分析取三個(gè)典型剖面進(jìn)行分析，位置分別為X=0 m（沿壩軸線），Z=0 m（順河向過泄洪底孔中心線），Z=6.50 m（順河向離橫縫0.50 m）。計(jì)算各工況下典型剖面的 σ1、σ3、σy及 σz；對(duì)壩體而言，σx實(shí)際意義不大，不予討論，壩頂應(yīng)力也不予討論。具體計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 壩體各方向應(yīng)力極值表

由計(jì)算結(jié)果可知：在各工況下，壩體應(yīng)力分布規(guī)律明確，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在底孔上、側(cè)壁交匯處和廊道附近，符合一般規(guī)律。 σ1、σ3、σy及 σz的最大值分別為：0.091 MPa、-0.912 MPa、-0.9 MPa及0.071 MPa，均小于C15混凝土抗拉軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=0.91MPa、及軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=7.2 MPa，壩體混凝土滿足抗拉、壓性能的要求。另，根據(jù)壩體應(yīng)力等值線顯示，底孔與橫縫之間壩體的應(yīng)力性態(tài)良好，沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，底孔未對(duì)壩體結(jié)構(gòu)造成不利影響。

4.3 底孔壩段壩踵、壩趾垂直應(yīng)力分析

壩踵、壩趾垂直應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 壩踵、壩址垂直應(yīng)力值表

由表4可知，在各種工況下，壩踵無拉應(yīng)力，壩址壓力小于壩基第三巖組砂巖的抗壓強(qiáng)度74.4 MPa（未固結(jié)灌漿前），滿足規(guī)范要求。

綜上所述，在各個(gè)工況下，壩體各部位應(yīng)力性態(tài)良好，其安全性滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

通過對(duì)底孔壩段結(jié)構(gòu)應(yīng)力和壩體應(yīng)力的分析可知，底孔結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在上壁中部、側(cè)壁和上壁交匯處以及下壁的中部，且拉、壓應(yīng)力均未超出抗沖磨混凝土C40HF設(shè)計(jì)值，可按結(jié)構(gòu)配筋；底孔壩段壩體應(yīng)力最大值主要出現(xiàn)在靠近孔洞上、側(cè)壁交匯處及廊道附近，小于混凝土抗拉、壓強(qiáng)度；壩踵無拉應(yīng)力，壩址壓力小于壩基承載力。因此，該底孔壩段結(jié)構(gòu)是安全的，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可為類似工程提供參考。