三河口水利樞紐電梯井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

趙 瑋，解 豪

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001)

三河口水利樞紐是陜西省內(nèi)重大跨流域調(diào)水工程——引漢濟(jì)渭工程的三大部分之一和重要水源工程之一，是整個(gè)引漢濟(jì)渭工程的調(diào)蓄中樞。水庫(kù)總庫(kù)容為7.1億m3，大壩為碾壓混凝土拱壩，最大壩高141.5m。

大壩電梯井布置在大壩右岸壩體下游，其下部和壩體結(jié)構(gòu)嵌固在一起，上部和壩體鉸接連接，是三河口水利樞紐最重要的垂直交通路徑，具有連接壩體內(nèi)部各層交通廊道，以及連通壩后電站廠區(qū)與壩頂交通的重要功能。電梯井結(jié)構(gòu)按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，沿高程(高程516.0～646.0m)共分7站，行程130m。

電梯井做為大壩一種高聳、薄壁的單體結(jié)構(gòu)，與大壩體量相比，其剛度較小，在與大壩結(jié)構(gòu)共同工作時(shí)，受力條件復(fù)雜，而傳統(tǒng)的計(jì)算手段，又很難考慮大壩運(yùn)行對(duì)電梯井結(jié)構(gòu)受力的影響。從電梯井布置型式、體型設(shè)計(jì)、約束形態(tài)等方面研究分析電梯井的結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元仿真計(jì)算分析對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行分析論證[1]，論述了電梯井從方案設(shè)計(jì)到結(jié)果論證的全過(guò)程，為以后類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)提供具有價(jià)值的參考。

1 電梯井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 布置形式

大壩電梯井一般可分為岸坡豎井式和和壩后豎井式。岸坡豎井式一般位于大壩壩肩，或臨近地下廠房，便于聯(lián)通大壩與地下廠房，一般要求地質(zhì)條件較好。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為安全可靠，不受風(fēng)、浪、冰凍、大壩泄洪等因素影響，受地震影響較小，其缺點(diǎn)是施工難度較大，通風(fēng)條件較差，井內(nèi)環(huán)境幽閉，舒適性較差。壩后豎井式，一般位于壩后靠近岸坡，多用于大壩樞紐無(wú)電站廠房，或電站廠房為地面廠房。其優(yōu)點(diǎn)是施工條件較為便利，通風(fēng)條件較好，可通過(guò)窗戶(hù)提高井內(nèi)樓梯間采光，改善井內(nèi)整體舒適性，缺點(diǎn)是易受風(fēng)、浪、冰凍及大壩泄洪等外界因素影響，受地震影響性大。

三河口水利樞紐大壩電梯井采用壩后豎井式。電梯井位于壩后大壩右岸壩體下游，距離河床中心約30m，通過(guò)壩后交通橋連通電梯井與廠區(qū)道路。一般電梯井越靠近河床，井筒結(jié)構(gòu)受大壩整體變形影響越大，電梯井越靠近壩肩，井筒結(jié)構(gòu)受大壩整體變形影響越小，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定越有利，但基礎(chǔ)開(kāi)挖增大，施工難度增大。三河口水利樞紐電梯井在綜合考慮大壩整體變形影響，基礎(chǔ)開(kāi)挖以及壩后交通布置等因素，選定電梯井位置。

1.2 電梯井功能和電梯選型

設(shè)計(jì)充分考慮滿(mǎn)足壩后和壩內(nèi)交通，將電梯井共分為7站，分別為515.0m基礎(chǔ)灌漿廊道、高程546.50m電站廠坪(電站經(jīng)常性停靠位置)、高程565.0m交通觀測(cè)廊道、高程610.0m交通觀測(cè)廊道、高程628.00m交通觀測(cè)廊道及高程646.0m壩頂，行程130m。為滿(mǎn)足消防要求，每層間高度間隔9～11m，設(shè)一個(gè)安全門(mén)，共設(shè)10個(gè)安全門(mén)[2]。

圖1 電梯井縱剖面及橫剖面圖

根據(jù)國(guó)內(nèi)多個(gè)已建工程電梯設(shè)計(jì)荷載，水利水電樞紐大壩電梯一般選1～1.6t、載員13～19人。如僅作為大壩樞紐工作人員交通，可參照室內(nèi)住宅電梯選型標(biāo)準(zhǔn)，選用1t是完全可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。但是，大壩電梯往往承擔(dān)更多的設(shè)計(jì)功能，除滿(mǎn)足以上功能外，通常要綜合考慮工程管理運(yùn)行、施工期和檢修期設(shè)備檢修、基礎(chǔ)灌漿補(bǔ)灌等[3]，因此大壩電梯設(shè)計(jì)載荷宜根據(jù)具體功能具體設(shè)計(jì)，三河口水利樞紐大壩在考慮多種運(yùn)行功能后，選擇設(shè)計(jì)載荷1.6t。

1.3 體型設(shè)計(jì)

三河口水利樞紐大壩電梯井結(jié)構(gòu)主要由電梯井室與樓梯間兩部分組成。電梯井室包含電梯井和電梯前室，樓梯間包含樓梯、電纜井和通風(fēng)井。井壁結(jié)構(gòu)厚度為1m，高程610.0m以下部分結(jié)構(gòu)與壩體整體澆筑，高程610.0m以上與壩頂鉸接；上下游側(cè)井壁寬度為7.4m，左右側(cè)井壁寬度為8.1m。電梯井道凈尺寸為2.5m×2.6m根據(jù)電梯設(shè)計(jì)載荷和后期運(yùn)行要求確定；井底部高程516.0m下設(shè)緩沖坑深1.8m，坑壁結(jié)構(gòu)采用0.3m厚的C30鋼筋混凝土襯砌。區(qū)間檢修爬梯共90跑，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；井內(nèi)不同功能區(qū)隔墻厚度0.2～0.4m，在滿(mǎn)足功能分區(qū)的同時(shí)，增加井筒整體剛度。電梯井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

1.4 電梯井與大壩約束形態(tài)

一般大壩電梯井嵌固在壩體內(nèi)，與大壩整體澆筑，三河口水利樞紐大壩電梯井也采用電梯井混凝土與大壩混凝土整體澆筑的連接方式，電梯井基礎(chǔ)嵌入壩內(nèi)。由于大壩為雙曲拱壩，下游壩面為曲面，因此電梯井不能完全嵌入壩體，在546.0m高程逐漸脫離壩體。通常為了增加電梯井整體結(jié)構(gòu)的剛度，減少高度方向自由端的長(zhǎng)度，脫離壩體部分通常采用混凝土回填，連接大壩與電梯井。然而大壩在水推力，溫度等荷載作用下，隨著高度增加各個(gè)方向變形逐漸增大，壩頂變形最大，順?biāo)鞣较蜃冃斡葹槊黠@。大壩電梯井之間回填高度增加，則電梯井受大壩變形影響增加，但電梯井自由端長(zhǎng)度減小，受地震作用減弱；反之，回填高度減小，電梯井受大壩變形影響減小，但受地震作用增強(qiáng)。

由此可見(jiàn)，從結(jié)構(gòu)受力的安全性及工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)性方面考慮，選擇合理、合適的回填高程是這一連接型式的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)多方案計(jì)算比較分析，三河口水利樞紐大壩電梯井回填高程為610.0m，同時(shí)為滿(mǎn)足交通需要，在高程628.0m和646.0m處各設(shè)一座工作橋，工作橋在與大壩連接段采用滑動(dòng)鉸接，以減小連接段的應(yīng)力[4]。

2 電梯井結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型及計(jì)算工況

在大壩各種運(yùn)行工況下，保證電梯井安全、有效的運(yùn)行，是電梯井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求。由于受大壩運(yùn)行的影響，電梯井受力結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，大壩結(jié)構(gòu)采用三維有限元計(jì)算，建立大壩與電梯井整體結(jié)構(gòu)的模型，地震作用采用振興分解反應(yīng)譜法[5]進(jìn)行計(jì)算，并參考相關(guān)工程的計(jì)算結(jié)果[6]，對(duì)大壩電梯井的結(jié)構(gòu)受力特性可得到一般規(guī)律性的結(jié)論，有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 大壩與電梯井有限元整體模型

本次所有工況均模擬拱壩溫度場(chǎng)[7]考慮溫度應(yīng)力[8]影響，計(jì)算工況分別在溫升和溫降情況下，分別考慮正常運(yùn)行和地震作用：

①工況1：自重+正常蓄水位+相應(yīng)下游水位+泥沙壓力+溫升。

②工況2：自重+正常蓄水位+相應(yīng)下游水位+泥沙壓力+溫降。

③工況3：自重+正常蓄水位+相應(yīng)下游水位+泥沙壓力+溫升+地震。

④工況4：自重+正常蓄水位+相應(yīng)下游水位+泥沙壓力+溫降+地震。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以明顯看出，電梯井作為大壩垂直交通建筑物，其位移變化規(guī)律主要受大壩變形規(guī)律的影響，由受到的大壩變形產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變。電梯井在大壩作用下X向位移(順河向)最為明顯，由底部至頂部逐漸增大，最大位移最發(fā)生在電梯井頂部；在高程546.0～561.0m各方向應(yīng)力均較大，也即電梯井脫離壩體處，在實(shí)際施工圖中，在此高程范圍了加強(qiáng)了配筋。而在地震作用，電梯井位移及應(yīng)力均明顯增大，可見(jiàn)對(duì)于這種高聳薄壁結(jié)構(gòu)，地震工況為其控制工況。

各工況最大位移及應(yīng)力見(jiàn)表2，工況4位移及應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3—6。

表2 各工況最大位移及應(yīng)力

圖3 工況4電梯井X向整體位移云圖(單位：mm)

圖4 電梯井X向應(yīng)力應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖5 電梯井Y向應(yīng)力應(yīng)力云圖(單位:MPa)圖6 電梯井Z向應(yīng)力應(yīng)力云圖(單位:MPa)

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了電梯井從方案設(shè)計(jì)到結(jié)果論證的全過(guò)程，經(jīng)過(guò)分析論證，大壩電梯井的布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。拱壩的壩后電梯井布置宜靠近岸坡，遠(yuǎn)離河床，以盡可能減小大壩變形對(duì)電梯井結(jié)構(gòu)受力的影響。大壩電梯井應(yīng)與大壩結(jié)合，采用部分或全部嵌入大壩內(nèi)部的方式增大電梯井的整體剛度，以減小地震作用對(duì)電梯井結(jié)構(gòu)受力的影響。電梯井作為高聳的單體水工結(jié)構(gòu)，在地震作用下，其自身振動(dòng)較大，同時(shí)壩體發(fā)生振動(dòng)時(shí)，電梯井伸出壩體部分其振動(dòng)影響會(huì)放大，其結(jié)構(gòu)將承受更大的振動(dòng)[9]。因此，往往地震作用下工況是電梯井結(jié)構(gòu)計(jì)算的控制性的工況，而同時(shí)考慮溫降和地震作用，又是地震作用下的更極端工況。

電梯井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其電梯井與拱壩壩體的連接是一個(gè)比較系統(tǒng)和全面的問(wèn)題，電梯井結(jié)構(gòu)與壩體的嵌入程度，電梯井與大壩間的回填高度，回填區(qū)以上電梯井與大壩采用何種連接方式，使得電梯井既能適應(yīng)大壩變形，又能保證井筒結(jié)構(gòu)足夠的剛度，同時(shí)又能確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與經(jīng)濟(jì)性，還需要設(shè)計(jì)者做更多的研究。