某導(dǎo)流洞進(jìn)口漸變段明洞結(jié)構(gòu)三維應(yīng)力及配筋分析

孫 斌，葛 瑤，張為法

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065;2.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西安 710001)

0 前 言

隨著中國水電事業(yè)的發(fā)展，水電工程逐漸向西南西北等高海拔地區(qū)轉(zhuǎn)移，其工程建設(shè)地的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，加之近年來高壩大庫工程越來越多，導(dǎo)流洞斷面尺寸也隨之加大。若導(dǎo)流洞進(jìn)口采用岸塔式進(jìn)水塔且進(jìn)洞段地質(zhì)條件較差，進(jìn)水塔后漸變段很難形成暗洞結(jié)構(gòu)，需要將進(jìn)水塔布置為明洞結(jié)構(gòu)。本文以某水電站導(dǎo)流洞進(jìn)水塔后漸變段明洞結(jié)構(gòu)為例，針對(duì)漸變段明洞結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型進(jìn)行敏感性分析計(jì)算[1-5]，計(jì)算出滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)厚度，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)[6-10]。

1 工程概況

該水電站采用隧洞導(dǎo)流，導(dǎo)流量Q30%=3 850 m3/s。隧洞標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸13.5 m×17.5 m(長(zhǎng)×寬)。洞身段平面上設(shè)置2個(gè)彎道，上游彎道轉(zhuǎn)彎半徑R=480 m，轉(zhuǎn)角θ=59.76°，下游彎道轉(zhuǎn)彎半徑R=200 m，轉(zhuǎn)角θ=32.31°。導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程為2 761.00 m，出口底板高程為2 755.00 m。

導(dǎo)流洞進(jìn)口采用岸塔式進(jìn)水塔，按2孔設(shè)計(jì)，孔口尺寸為6.75 m×17.5 m。進(jìn)水塔后接漸變段，漸變段由矩形漸變?yōu)槌情T洞形，漸變段長(zhǎng)28 m，漸變段后進(jìn)洞。

2 計(jì)算模型、參數(shù)及工況

2.1 計(jì)算模型

建立以地基和漸變段作為整體結(jié)構(gòu)的三維有限元仿真計(jì)算模型，模型的坐標(biāo)原點(diǎn)取漸變段進(jìn)口斷面豎直中心線與底部邊線的交點(diǎn)。X軸為流道方向，指向下游水流流向?yàn)檎?，Y軸為垂直水流向，指向左側(cè)為正；Z軸為鉛直向，豎直向上為正。計(jì)算模型采用solid 65六面體塊單元，基巖四周及漸變段結(jié)構(gòu)進(jìn)出口采用法相面約束，基巖底部采用三相固結(jié)面約束考慮[1-5]，漸變段模型見圖1。

圖1 漸變段模型網(wǎng)格圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

本次計(jì)算所采用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 混凝土及基巖物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 計(jì)算工況及荷載

根據(jù)導(dǎo)流洞漸變段使用工況要求，本次計(jì)算對(duì)閘室結(jié)構(gòu)在下閘封堵期工況(控制工況)進(jìn)行了三維有限元計(jì)算，具體見表2。

表2 計(jì)算工況表

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力分析

本次主要對(duì)擬定不同襯砌厚度的漸變段明洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行敏感性分析計(jì)算，擬定襯砌厚度分別為5 m、5.5 m和6 m，通過對(duì)其不同襯砌厚度的三維有限元計(jì)算[1-5]，可以得出漸變段結(jié)構(gòu)受到外部荷載后的應(yīng)力分布情況，其中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，單位為MPa。由于結(jié)構(gòu)X向應(yīng)力相對(duì)Y向和Z向很小，不控制結(jié)構(gòu)整體安全性，故應(yīng)力結(jié)果只針對(duì)Y向和Z向進(jìn)行分析比較。

(1) 漸變段襯砌厚度為5 m

當(dāng)漸變段襯砌結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)自重、最大外水壓力及浮托力的共同作用下，其Y向的最大拉應(yīng)力小于C30混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Y向和Z向的最大壓應(yīng)力大于C30混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Z向最大拉應(yīng)力大于C30混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，但可通過配筋解決拉應(yīng)力產(chǎn)生的拉裂問題。Y向和Z向的正應(yīng)力極值及發(fā)生部位見表3。

表3 襯砌厚度為5 m結(jié)構(gòu)Y向和Z向正應(yīng)力的極值及發(fā)生部位表

(2) 漸變段襯砌厚度為5.5 m

當(dāng)漸變段襯砌結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)自重、最大外水壓力及浮托力的共同作用下，其Y向的最大拉應(yīng)力小于C30混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Y向和Z向的最大壓應(yīng)力大于C30混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Z向最大拉應(yīng)力大于C30混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，但可通過配筋解決拉應(yīng)力產(chǎn)生的拉裂問題。Y向和Z向的正應(yīng)力極值及發(fā)生部位見表4。

表4 襯砌厚度為5.5 m結(jié)構(gòu)Y向和Z向正應(yīng)力的極值及發(fā)生部位表

(3) 漸變段襯砌厚度為6 m

當(dāng)漸變段襯砌結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)自重、最大外水壓力及浮托力的共同作用下，其Y向的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力、Z向最大壓應(yīng)力均小于C30混凝土的軸心抗拉和軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Z向的最大拉應(yīng)力大于C30混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，但可通過配筋解決拉應(yīng)力產(chǎn)生的拉裂問題。Y向和Z向的正應(yīng)力極值及發(fā)生部位見表5。

表5襯砌厚度為6 m結(jié)構(gòu)Y向和Z向正應(yīng)力的極值及發(fā)生部位表

(4) 結(jié)果分析

通過對(duì)漸變段明洞結(jié)構(gòu)不同襯砌厚度的計(jì)算分析，結(jié)果表明：漸變段結(jié)構(gòu)的襯砌厚度為6 m時(shí)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力滿足混凝土的抗壓強(qiáng)度要求，其豎直方向(Z向)產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力值為2.201 MPa，雖然大于C30混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度，但可通過配筋解決拉應(yīng)力產(chǎn)生的拉裂問題。因此漸變段為明洞結(jié)構(gòu)，其襯砌厚度為6 m時(shí)，結(jié)構(gòu)整體受力滿足結(jié)構(gòu)安全要求。具體應(yīng)力分析對(duì)比見表6。

表6 漸變段為明洞結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力分析對(duì)比表

3.2 配筋計(jì)算

按DL/T5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D中D.3和D.4的相關(guān)規(guī)定從襯砌厚度為6 m的漸變段明洞結(jié)構(gòu)Y向和Z向應(yīng)力分布情況可以看出，只需對(duì)邊墻按彈性應(yīng)力圖形法進(jìn)行配筋[6-10]，同時(shí)按最低限度的受拉鋼筋配筋(P122，公式12.5.2)及最小配筋率進(jìn)行復(fù)核，底邊按最低限度的受拉鋼筋配筋及最小配筋率控制配筋，頂板按最小配筋率控制配筋[2]。

(1) 邊墻配筋

1-1斷面、2-2斷面和3-3斷面邊墻豎向鋼筋按彈性應(yīng)力圖形法配筋、最低限度的受拉鋼筋配筋及最小配筋率配筋，計(jì)算結(jié)果見表7[6-10]。

表7 漸變段結(jié)構(gòu)邊墻豎向鋼筋配筋結(jié)果表

從表7可以得出，漸變段結(jié)構(gòu)邊墻豎向鋼筋受最低限度的受拉鋼筋配筋控制，其單位長(zhǎng)度內(nèi)配筋面積18 884.26 mm2。

(2) 頂板配筋

1-1斷面、2-2斷面和3-3斷面頂板水平向鋼筋按最小配筋率配筋，計(jì)算結(jié)果見表8[1]。

從表8可知,漸變段結(jié)構(gòu)頂板水平向鋼筋受最小配筋率控制，其單位長(zhǎng)度內(nèi)配筋面積8 850 mm2。

(3) 底板配筋

1-1斷面、2-2斷面和3-3斷面底板水平向鋼筋按最低限度的受拉鋼筋配筋及最小配筋率配筋，計(jì)算結(jié)果見表9[1]。

表8 漸變段結(jié)構(gòu)頂板水平鋼筋配筋結(jié)果表

表9 漸變段結(jié)構(gòu)底板水平鋼筋配筋結(jié)果表

從表9可以得出，漸變段結(jié)構(gòu)底板水平向鋼筋受最低限度的受拉鋼筋配筋控制，其單位長(zhǎng)度內(nèi)配筋面積17 818.75 mm2。

(4) 小 結(jié)

從邊墻、頂板和底板的配筋結(jié)果可以得出：漸變段結(jié)構(gòu)底板單位長(zhǎng)度的水平鋼筋配筋面積為17 818.75 mm2，相應(yīng)的配筋量為2×5?36@20+2×5?32@20；邊墻單位長(zhǎng)度的豎向鋼筋配筋面積為18 884.26 mm2，相應(yīng)的配筋量為4×5?36@20；頂板單位長(zhǎng)度的豎向鋼筋配筋面積為8 850 mm2，相應(yīng)的配筋量為2×5?36@20。

4 結(jié) 語

本文通過三維有限元對(duì)漸變段明洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行敏感性分析計(jì)算，通過計(jì)算結(jié)果確定在154 m水頭作用下，襯砌厚度為6 m的漸變段明洞結(jié)構(gòu)可滿足設(shè)計(jì)要求，并對(duì)其進(jìn)行配筋計(jì)算。