某重力壩復(fù)雜廊道系統(tǒng)三維有限元結(jié)構(gòu)配筋計算

楊磊 倪紹虎

摘要：基于大型通用有限元軟件ANSYS強(qiáng)大的前處理功能，建立某重力壩復(fù)雜廊道系統(tǒng)三維有限元模型，模擬計算各工況下大壩位移及應(yīng)力響應(yīng)。選取廊道環(huán)向應(yīng)力極致所處斷面，根據(jù)配筋計算“應(yīng)力圖形法”，對環(huán)向應(yīng)力極致所處斷面進(jìn)行三維插值、應(yīng)力積分，并運(yùn)用規(guī)范方法計算各廊道的配筋參數(shù)。計算成果表明，上述計算方法理論成熟，計算成果可用于大體積混凝土的結(jié)構(gòu)配筋。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜廊道系統(tǒng);有限元單元法;應(yīng)力圖形法;三維插值;應(yīng)力積分

1前言

1.1問題的提出

水工大體積混凝土中，從結(jié)構(gòu)功能運(yùn)用角度出發(fā)，不可避免的需要在大體積混凝土內(nèi)部布設(shè)孔洞，如大壩電梯井、壩身泄洪孔、廊道系統(tǒng)等[1];孔洞的設(shè)置勢必引起大體積混凝土產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，存在引發(fā)混凝土開裂的風(fēng)險。為科學(xué)、經(jīng)濟(jì)地對水工大體積混凝土中孔洞進(jìn)行加固配筋，需有一種科學(xué)的計算分析方法。

對于重力壩而言，由于其各自壩段獨(dú)立工作的特性，可選擇復(fù)雜廊道所處壩段進(jìn)行建模計算[2]。對于拱壩工程所對應(yīng)的下游二道壩結(jié)構(gòu)，其壩身孔洞布置往往很復(fù)雜，從結(jié)構(gòu)功能角度出發(fā)，其壩身布置有順河向的排水連接廊道、閥室等，橫河向的集水廊道、檢修泵房、灌排廊道等，順河向廊道與橫河向廊道存在互通、交叉，這更加劇了廊道周邊混凝土應(yīng)力的復(fù)雜性，三維有限元計算則是重要的計算分析手段

1.2工程簡介

某水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，距巧家縣城45km，上接烏東德梯級，下鄰溪洛渡梯級，電站裝機(jī)容量16000MW。樞紐由攔河壩、泄洪消能設(shè)施、引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。工程為一等大（Ⅰ）型工程，擋水、泄水、引水發(fā)電等主要建筑物按1級建筑物設(shè)計，消能防沖建筑物按2級建筑物設(shè)計。

二道壩采用重力式混凝土壩，表面2m范圍采用C9040混凝土、內(nèi)部采用C18030混凝土，壩頂寬度為8m，上游坡為1∶0.6，下游坡為1∶0.8。二道壩內(nèi)設(shè)灌漿廊道、排水廊道，并與水墊塘排水廊道相通，組成水墊塘和二道壩統(tǒng)一的排水系統(tǒng)，通過集水廊道連接到岸邊山體內(nèi)的集水井，并設(shè)專用水泵抽排。

二道壩按2級建筑物設(shè)計，結(jié)構(gòu)安全級別為II級，按百年一遇洪水設(shè)計，千年一遇洪水校核，其廊道結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的。本文選取二道壩7#壩段作為計算分析對象，7#壩段中布置有順河向的EP4排水廊道、閥室，橫河向的閥室連接廊道、EP1灌排廊道、檢修泵房、右岸集水廊道，7#壩段的典型剖面圖間圖1，廊道三維布置圖見圖2。

2有限元模型建立與網(wǎng)格劃分

2.1計算模型

采用三維有限單元法對二道壩7#壩段壩體及廊道進(jìn)行計算，壩體、廊道結(jié)構(gòu)及三維有限元模型見圖3～4。

計算中整體坐標(biāo)系為：順河向?yàn)閄軸，指向下游為正;橫河向?yàn)閆軸，指向左岸為正;豎直向上為Y軸。

2.2材料參數(shù)

壩體混凝土C18030、C9040

容重c=24kN/m3，彈性模量Ec=24GPa，泊松比v=0.167。

基巖

不考慮基巖自重，彈性模量Ec=10Gpa，泊松比v=0.24。

2.3計算工況、荷載及邊界條件

根據(jù)水墊塘的運(yùn)行方式及二道壩的結(jié)構(gòu)受力特性，擬定其較為危險的工況，工況列表見表1，各工況對應(yīng)的上下游水位列于下表2。

3計算成果分析

3.1應(yīng)力結(jié)果及分析

廊道周邊應(yīng)力峰值結(jié)果見表3～6，典型應(yīng)力分布見圖5～8。所有應(yīng)力均為廊道局部坐標(biāo)系下的應(yīng)力成果。從應(yīng)力成果可以看出：

工況1中，右岸集水廊道尺寸相對較小，第1主應(yīng)力最大值為0.51Mpa，出現(xiàn)在靠6#橫縫的頂拱部位;排水廊道EP4橫河向（底板環(huán)向應(yīng)力）最大應(yīng)力為0.48Mpa，出現(xiàn)在爬坡廊道與水平廊道結(jié)合部位（靠上游側(cè)）;檢修泵房順河向（底板環(huán)向應(yīng)力）最大應(yīng)力值為0.46Mpa，底板中心部位;灌排廊道EP1順河向（底板環(huán)向應(yīng)力）最大應(yīng)力值為0.50Mpa，靠3#橫縫的底板中心部位;閥室及閥室連接廊道所處高程為581.12m，所處高程較大，應(yīng)力狀態(tài)較小，自重作用下最大第1主應(yīng)力未超過0.15Mpa。在自重的作用下，上部的廊道應(yīng)力小，下部的廊道應(yīng)力較大，但應(yīng)力峰值均未超過混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度。

工況2中，右岸集水廊道尺寸相對較小，第1主應(yīng)力最大值為0.36Mpa，出現(xiàn)在靠6#橫縫的底板;排水廊道EP4橫河向（底板環(huán)向應(yīng)力）最大應(yīng)力為0.78Mpa，出現(xiàn)在爬坡廊道與水平廊道結(jié)合部位（靠上游側(cè)）;檢修泵房橫河向（靠上游側(cè)邊墻）最大應(yīng)力值為0.53Mpa;灌排廊道EP1橫河向（靠上游側(cè)邊墻）最大應(yīng)力值為0.48Mpa，出現(xiàn)在與排水廊道EP4交界頂拱部位;閥室及閥室連接廊道所處高程為581.12m，所處高程較高，應(yīng)力狀態(tài)較小，最大第1主應(yīng)力未超過0.25Mpa。相比工況1，排水廊道EP4周邊混凝土橫河向應(yīng)力有所增長，但其周邊混凝土拉、壓應(yīng)力小于混凝土的抗拉、抗壓強(qiáng)度。

工況3中，右岸集水廊道第1主應(yīng)力最大值為0.61Mpa，出現(xiàn)在靠6#橫縫的頂拱中心部位;排水廊道EP4橫河向（底板環(huán)向應(yīng)力）最大應(yīng)力為0.60Mpa，出現(xiàn)在廊道與上游壩面交界部位頂拱處;檢修泵房橫河向（靠上游側(cè)邊墻）最大應(yīng)力值為0.49Mpa;排水廊道EP1橫河向（靠上游側(cè)邊墻）最大應(yīng)力值為0.28Mpa，出現(xiàn)在與排水廊道EP4交界頂拱部位;閥室及閥室連接廊道所處高程為581.12m，所處高程較大，應(yīng)力狀態(tài)較小，最大第1主應(yīng)力未超過0.20Mpa。

工況4中，受地震加速度作用，廊道周邊混凝土應(yīng)力水平有所提升。左岸集水廊道第1主應(yīng)力最大值為0.93Mpa，出現(xiàn)在靠6#橫縫的底板;排水廊道EP4橫河向（底板環(huán)向應(yīng)力）最大應(yīng)力為0.87Mpa，出現(xiàn)在爬坡廊道與水平廊道結(jié)合部位（靠上游側(cè)）;檢修泵房橫河向（靠上游側(cè)邊墻）最大應(yīng)力值為0.76Mpa;

排水廊道EP1順河向（爬坡廊道與水平廊道交界部位、底板環(huán)向應(yīng)力）最大應(yīng)力值為0.93Mpa，最大第1主應(yīng)力1.55 Mpa，靠7#橫縫的頂拱部位;閥室連接廊道在地震作用下，上游側(cè)邊墻最大環(huán)向應(yīng)力為0.95Mpa。

高程部位廊道閥室、閥室連接廊道及排水廊道EP1高程570m段應(yīng)力較其他工況增加明顯，這是高高程部位廊道動反應(yīng)比較強(qiáng)烈造成的;應(yīng)當(dāng)指出，由于靜動力成果疊加使用了各振型成果的平方和，因此靜動力疊加后各向應(yīng)力的方向性僅供參考。

綜上，廊道周邊混凝土拉、壓應(yīng)力小于混凝土的抗拉、抗壓強(qiáng)度。

3.2配筋計算結(jié)果

3.2.1構(gòu)造配筋

綜合各工況的應(yīng)力結(jié)果來看， 7#壩段除灌排廊道EP1外各廊道的應(yīng)力均遠(yuǎn)小于混凝土抗拉強(qiáng)度（C18030：1.43Mpa），可按構(gòu)造要求配筋。參考同類工程廊道配筋成果，7#壩段除灌排廊道EP1外各廊道配筋成果見表7。

3.2.2結(jié)構(gòu)配筋

根據(jù)應(yīng)力成果，提取7#壩段EP1灌排廊道底板截面的橫河向應(yīng)力進(jìn)行配筋計算，計算結(jié)果見表8，由表可見考慮混凝土承受動拉應(yīng)力EP1灌排廊道底板截面需配置1958mm2鋼筋，不考慮混凝土承受動拉應(yīng)力EP1灌排廊道底板截面需配置2388mm2鋼筋，鑒于EP1灌排廊道河床高程低兩岸高程高，參考閥室及閥室連接廊道的計算成果，廊道高程越高動反應(yīng)越強(qiáng)烈，岸坡壩段的EP1灌排廊道動拉應(yīng)力亦可能超過現(xiàn)計算的7#壩段EP1灌排廊道動拉應(yīng)力水平，因此配筋參數(shù)擬定為環(huán)向受力筋1層C32@200、構(gòu)造筋C28@200，保證一定的安全裕度。

4結(jié)論

二道壩7#壩段所有工況廊道周邊最大第1主應(yīng)力為1.55Mpa，最大壓應(yīng)力-4.41Mpa，最大第一主應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度，壓應(yīng)力未超過混凝土抗壓。

7#壩段除灌排廊道EP1外各廊道的應(yīng)力均遠(yuǎn)小于混凝土抗拉強(qiáng)度（C18030：1.43Mpa），可按構(gòu)造要求進(jìn)行配筋。參考錦屏水電站二道壩廊道配筋情況，并考慮一定安全裕度， EP4排水廊道構(gòu)造配筋參數(shù)為環(huán)向受力筋1層C28@200、構(gòu)造筋C25@200;檢修泵房在混凝土內(nèi)部較大，配筋參數(shù)為1層C32@200、構(gòu)造筋C28@200;閥室及閥室連接廊道所處高程較高，地震反應(yīng)較其他廊道強(qiáng)，考慮閥室尺寸（13.0m×4.0m×4.0m）較大，配筋參數(shù)為1層C32@200、構(gòu)造筋C28@200。

根據(jù)應(yīng)力成果，提取7#壩段EP1灌排廊道底板截面的橫河向應(yīng)力進(jìn)行配筋計算，鑒于EP1灌排廊道河床高程低兩岸高程高，參考閥室及閥室連接廊道的計算成果，廊道高程越高動反應(yīng)越強(qiáng)烈，岸坡壩段的EP1灌排廊道動拉應(yīng)力亦可能超過現(xiàn)計算的7#壩段EP1灌排廊道動拉應(yīng)力水平，因此配筋參數(shù)擬定為環(huán)向受力筋1層C32@200、構(gòu)造筋C28@200，保證一定的安全裕度。

參考文獻(xiàn)

[1]張元澤，黃志澎，牟高翔，潘艷芳.大崗山拱壩廊道三維靜力線彈性有限元分析及配筋方法研究[J]. 水電站設(shè)計，2014，30（2）：13-16.

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