基于三維有限元的進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安全措施

尚俊偉，朱翠民，彭光華，皇甫澤華，倫冠海，劉武斌

（1．中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽 合肥230000；2．河南省豫東水利工程管理局，河南開封475000；3．河南省前坪水庫建設(shè)管理局，河南 鄭州450003；4．南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210029）

泄洪洞作為水庫的重要泄洪通道，與水庫的安全運(yùn)行密切相關(guān)。泄洪洞進(jìn)水塔是泄洪洞最核心的建筑物，布置復(fù)雜且屬于高聳結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)安全影響全局。前坪水庫作為一座以防洪為主的大型水利樞紐工程，同時(shí)具有灌溉、供水及發(fā)電等綜合功能。泄洪洞全長614 m，布置于大壩左岸，是水庫重要的泄洪建筑物之一，承擔(dān)著50 a一遇及其以下洪水的全部下泄任務(wù)（最大泄流量1 000 m3／s），同時(shí)配合溢洪道下泄50 a一遇以上洪水（最大泄流量1 410 m3／s），其主要建筑物級別為2級。

泄洪洞工程從上游至下游主要由進(jìn)水引渠段、進(jìn)口控制段（進(jìn)水塔）、洞身段、消能防沖段4部分組成。隧洞為無壓洞，根據(jù)相關(guān)資料和規(guī)范［1-3］，洞身斷面采用城門洞形，進(jìn)水塔閘室采用有壓短管型。由于前坪水庫泄洪洞流量大、流速急（最大泄洪流速達(dá)27 m／s）、水頭高（最大擋水高度43 m，工作閘門支鉸大梁承受著3 000 t的巨大水推力），閘室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此閘室的結(jié)構(gòu)計(jì)算成為類似深式泄洪洞工程［4-7］設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前采用空間三維有限元法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)體進(jìn)行計(jì)算分析已經(jīng)成為一種趨勢，我國現(xiàn)有的大型水庫工程［8-10］、水電站工程［11-13］進(jìn)水塔分析越來越多地采用該方法。但鑒于水利工程個(gè)體的差異性，工程的地質(zhì)、運(yùn)行條件和結(jié)構(gòu)布置各不相同，設(shè)計(jì)時(shí)在借鑒類似工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，需結(jié)合工程實(shí)際，通過計(jì)算確定該工程的重點(diǎn)部位，并采取合理的工程措施以保證其結(jié)構(gòu)安全。

1 地形、地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，進(jìn)口洞臉邊坡巖體陡傾角裂隙發(fā)育，裂隙走向以北西向、北東向?yàn)橹?，受北西向裂隙?gòu)造影響，巖體多呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，完整性較差。其主要裂隙產(chǎn)狀 10°∠75°、290°∠60°，與進(jìn)口洞臉邊坡以 35°、25°角度相交，夾角 38°（逆坡向）、57°（順坡向），290°∠60°一組對洞臉穩(wěn)定影響較大。裂隙對進(jìn)口左岸邊坡穩(wěn)定沒有明顯影響，對進(jìn)口右岸邊坡穩(wěn)定有較顯著的影響。

進(jìn)水塔閘室段大部分位于弱風(fēng)化帶下安山玢巖上，屬于Ⅲ類巖體。安山玢巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均為 64．7 MPa，普氏堅(jiān)固系數(shù) f＝6～8，閘室地基為安山玢巖，巖體抗剪斷摩擦系數(shù) f′＝ 0．9，黏聚力 C′＝ 0．7 MPa，變形模量為 5．0 GPa，承載力為 18 MPa。 混凝土與巖體之間的建議抗剪斷摩擦系數(shù)為f′＝0．9，黏聚力C′＝ 0．7 MPa。

2 進(jìn)水塔閘室結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)功能布置及水力計(jì)算要求，進(jìn)水塔進(jìn)口采用有壓短管形式。閘底板頂部高程為360．00 m，平面尺寸為 38．0 m×17．5 m（順?biāo)飨颉链怪彼飨颍穸葹?．0 m。進(jìn)水塔下部：上游為壓力短管，下游腔體為弧門室。工作閘門采用弧形鋼結(jié)構(gòu)閘門，孔口尺寸為6．5 m×7．5 m（寬×高）。事故檢修閘門采用平板鋼結(jié)構(gòu)閘門，孔口尺寸為 6．5 m×9．1 m（寬×高）。 壓力短管、弧門室上部分別與檢修門井和工作門井相通，兩井之間采用隔墻分開。檢修門井內(nèi)設(shè)閘門檢修平臺，平臺頂高程為405．00 m；工作門井內(nèi)部設(shè)梁板式啟閉平臺，平臺頂高程386．00 m。豎井平面形式為封閉式框架結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)啟閉機(jī)房，分為4層，平面尺寸為25．8 m×14．5 m（順?biāo)飨颉链怪彼飨颍ＸQ井兩側(cè)邊墻高程377．5 m 以下厚度為 5．5 m，高程 377．5 m 以上厚度為3．2～1．7 m。 高程 424．5 m 設(shè)置一座長 24 m 的交通橋與通往大壩的道路相連。

閘室在開挖巖體基礎(chǔ)上澆筑，鑒于穩(wěn)定及施工開挖要求，高程386．5 m以下采用垂直開挖，高程386．5～406．0 m范圍內(nèi)邊坡開挖坡比為 1∶0．3，并在高程406．0 m處布置馬道，馬道寬度為5．0 m。塔體后背墻與邊坡之間采用混凝土回填，回填后形成寬11．1 m的平臺。非汛期擋水時(shí)弧形工作閘門通過支鉸將水推力傳遞給混凝土大梁，大梁高9．5 m、寬7．59 m，背靠巖體共同承受閘門水推力的作用。

高程384．1 m以下的進(jìn)水塔主體結(jié)構(gòu)均采用C40混凝土，高程384．1 m以上主體結(jié)構(gòu)采用C30混凝土。進(jìn)水塔閘底板、閘墩、胸墻、隔墻、洞臉墻形成了一個(gè)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，具體布置見圖1。

圖1 泄洪洞進(jìn)水塔縱剖面（單位：m）

3 閘室結(jié)構(gòu)有限元分析

本次有限元分析采用大型商業(yè)軟件ABAQUS來完成，其在工程中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用［14-17］。

3．1 計(jì)算重點(diǎn)

根據(jù)進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)行條件，弧形工作門擋水時(shí)，弧門水荷載近似以集中力作用于支鉸大梁，可能使梁身應(yīng)力及其與側(cè)墻接觸位置剪應(yīng)力較加大；事故檢修平板門時(shí)，可能使閘門槽處附近拉應(yīng)力和剪應(yīng)力加大；閘墩、底板受外水壓力作用時(shí)會產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。故選取弧形閘門支鉸大梁、平板（事故）閘門門槽、進(jìn)水塔側(cè)墻、底板等重點(diǎn)部位進(jìn)行分析。

3．2 材料參數(shù)選取

本次計(jì)算采用線彈性模型，進(jìn)水塔混凝土彈性模量取25 GPa，泊松比取0．167；基巖部分彈性模量取5 GPa，泊松比取 0．250。

3．3 三維有限元模型

因進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)及受荷對稱，故可取一半模型進(jìn)行計(jì)算分析。從偏于安全的角度考慮，山體的支撐作用可忽略不計(jì)，有限元模型如圖2所示。有限元計(jì)算模型主體部分為進(jìn)水塔，進(jìn)水塔底面至頂部高68．5 m，底板長38 m，取底板半寬為8．75 m。進(jìn)水塔底部向下取15 m作為塔下基巖部分（當(dāng)計(jì)算底板應(yīng)力時(shí)，忽略基巖的約束作用）。

圖2 進(jìn)水塔閘室有限元模型

3．4 坐標(biāo)系

為方便計(jì)算結(jié)果的整理，計(jì)算中采用了兩套坐標(biāo)系。

（1）整體坐標(biāo)系。x軸為順?biāo)鞣较颍瑈軸為垂直水流方向，z軸為豎直方向。整理結(jié)果時(shí)，除了支鉸大梁部分，其余均采用整體坐標(biāo)系。

（2）局部坐標(biāo)系。x′軸為支鉸大梁所受推力方向，y′軸為垂直水流方向（與整體坐標(biāo)系y方向相同），z′軸與x′軸和y′軸垂直，遵循右手螺旋法則。支鉸大梁應(yīng)力分析時(shí)使用局部坐標(biāo)系。

3．5 計(jì)算工況

（1）設(shè)計(jì)擋水工況。工作門前擋水位為403．0 m，弧形門關(guān)閉。

（2）設(shè)計(jì)泄洪工況。上游為500 a一遇泄洪水位417．2 m，弧形門開啟。

（3）事故檢修工況。事故檢修門前擋水位403．0 m，平板門開啟。

3．6 荷載及組合

本次計(jì)算對于不同的重點(diǎn)分析對象，荷載作用分別按最不利假設(shè)考慮。

（1）弧門工作時(shí)支鉸大梁位置的應(yīng)力。只考慮作用于弧門上的水荷載。

（2）平板閘門工作時(shí)門槽附近的應(yīng)力。只考慮作用在平板閘門上的水荷載。

（3）外側(cè)靜水壓力作用下側(cè)墻的應(yīng)力?？紤]側(cè)墻外壁靜水壓力，支鉸大梁附近外側(cè)水壓力未考慮，內(nèi)壁靜水壓力也不考慮，該情況為計(jì)算的最不利情況。

（4）底板應(yīng)力?？紤]側(cè)墻四周靜水壓力與底板底部所受揚(yáng)壓力。

從文化生態(tài)學(xué)理論的角度看，“非遺”的傳承、保護(hù)和發(fā)展成效主要受代表性傳承人，傳承保護(hù)的內(nèi)容、方式、機(jī)制，以及整體機(jī)理的構(gòu)建等因素的影響。這些要素綜合起來，構(gòu)成了“非遺”傳承保護(hù)的生態(tài)環(huán)境。它們以不同的方式組合起來，構(gòu)成了“非遺”傳承保護(hù)模式。江蘇的“非遺”傳承保護(hù)主要存在以下四種模式。

3．7 約束條件

（1）約束一?；鶐r底面約束x向位移與z向位移，對稱面約束y向位移，弧形閘門底部約束z向位移。該約束用于分析支鉸大梁、平板門槽與側(cè)墻處的應(yīng)力情況。

（2）約束二。約束進(jìn)水塔頂面的z向位移與底板一端的x向位移，保證進(jìn)水塔不會沿x方向移動，同時(shí)保證了底板沿豎向自由變形；對稱面和弧形閘門約束同上。該約束用于分析底板應(yīng)力情況。

3．8 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)本次計(jì)算選定的結(jié)構(gòu)重點(diǎn)部位，在相應(yīng)位置共選取了10個(gè)截面進(jìn)行分析，截面編號為1～10，各截面位置如圖3所示。根據(jù)三維有限元計(jì)算出的各部位應(yīng)力云圖，將各截面的最大應(yīng)力及位置找出，確定最危險(xiǎn)點(diǎn)，并計(jì)算出各截面的內(nèi)力值供結(jié)構(gòu)配筋使用。各截面應(yīng)力、內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

圖3 截面位置示意

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析如下：

（1）水推力依靠弧形閘門傳遞至支鉸大梁位置，第一主應(yīng)力最大值約為2 MPa，超過了材料抗剪強(qiáng)度，說明弧門推力導(dǎo)致大梁與側(cè)墻連接位置出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，需要作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)，加強(qiáng)配筋。大梁位置局部坐標(biāo)系下，x′向剪應(yīng)力最大為0．7 MPa，說明該處不僅靠大梁與墩墻端部交接處混凝土承擔(dān)剪力，而且與洞臉墻整體抗剪。

（2）在水壓力作用下，平板閘門門槽中下部出現(xiàn)第一主應(yīng)力最大值，其值不超過1．5 MPa，沿x向的拉應(yīng)力最大值約為1．0 MPa；順?biāo)鞣较蜷T槽處剪應(yīng)力Sxy最大值約為0．7 MPa，豎向剪應(yīng)力Sxz在門槽底部最大值約0．6 MPa。說明平板門門槽處為受力較大部位，同時(shí)由于沒有考慮閘門滾輪間距，因此閘門滾輪作用力不是按集中力施加，而是按分布荷載施加，計(jì)算出的應(yīng)力可能略微偏低。

（4）底板在靜水壓力作用下頂面處拉應(yīng)力為1．3 MPa，這是不考慮側(cè)墻水壓力作用的結(jié)果，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對該部位適當(dāng)加強(qiáng)配筋。

（5）以上各計(jì)算均是在假設(shè)工程已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行，溫度作用趨于穩(wěn)定下進(jìn)行的，均未考慮溫度應(yīng)力。

（6）各重點(diǎn)部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力基本適中，說明閘室結(jié)構(gòu)尺寸相對合理。

表1 各斷面應(yīng)力最大值及出現(xiàn)位置

表2 各斷面內(nèi)力最大值匯總

4 實(shí)際采取的結(jié)構(gòu)安全工程措施

雖然根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，有些部位應(yīng)力滿足混凝土材料本身強(qiáng)度設(shè)計(jì)允許值，但是針對閘室結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)及參考平面結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)［18-20］，在實(shí)際設(shè)計(jì)中仍然采取了以下工程措施以保證結(jié)構(gòu)安全。

（1）由于弧形工作門支鉸大梁承受巨大水推力作用，且該處混凝土最大拉應(yīng)力已經(jīng)超出混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因此在該處大梁頂、底層配置雙層鋼筋，并在軸向推力方向布置暗梁將水推力部分傳至山體，使其共同受力。

（2）考慮平板門門槽處因滾輪作用而產(chǎn)生應(yīng)力集中，對閘門槽二期混凝土產(chǎn)生較大剪切作用，在閘門槽二期混凝土中配置相應(yīng)抗剪鋼筋與閘門槽混凝土共同抗剪。

（3）考慮閘室墩墻內(nèi)側(cè)受外水壓力及弧形門水推力作用產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，故除了布置縱、橫向結(jié)構(gòu)鋼筋外，在閘墩內(nèi)側(cè)（指向弧形門水推力方向）加強(qiáng)布置雙層扇形分布鋼筋。

（4）雖然計(jì)算模型從偏于安全的角度出發(fā)未考慮山體作用，但在實(shí)際運(yùn)行中山體與閘室共同受力，為了保證山體邊坡穩(wěn)定，對山體開挖邊坡進(jìn)行掛網(wǎng)錨噴支護(hù)。其中高程386．5～406．0 m范圍內(nèi)錨桿直徑為25 mm，入巖深度L＝9 m，間距 2．5 m，梅花形布置；高程406．0 m以上錨桿直徑為25 mm，入巖深度L＝5 m，間距2．5 m，梅花形布置，并與錨桿間隔布置直徑50 mm、入巖深度L＝3 m的PVC排水管，減少山巖裂隙水作用。

（5）閘底板基巖進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，加強(qiáng)巖石整體完整性；對閘室兩側(cè)高程373．0 m以下部分用石渣回填，洞臉墻后高程386．5～406．0 m范圍采用混凝土回填并固結(jié)灌漿，加強(qiáng)閘室與山體的一體性。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為了分析驗(yàn)證閘室結(jié)構(gòu)與山體之間的相互作用，在背墻與山體連接部分設(shè)置土壓力計(jì)進(jìn)行觀測。

5．1 土壓力計(jì)布置

連接段共布置土壓力計(jì)15支，其中斷面泄0+038端部布置9支，斷面泄0+036、泄0+031頂部各布置3支，目前已全部安裝完成。土壓力計(jì)具體布置位置見表3。

表3 土壓力計(jì)布置位置

5．2 數(shù)據(jù)分析

在進(jìn)水塔施工前期泄洪洞閘室與山體連接部位土壓力明顯增大，隨著施工進(jìn)度的推移，土壓力逐漸趨于穩(wěn)定；2018年開始施工進(jìn)水塔上部結(jié)構(gòu)后，隨著上部荷載的增大，土壓力逐漸抬升，至2018年7月趨于穩(wěn)定，符合施工期變化規(guī)律?？傮w來說，土壓力計(jì)的觀測數(shù)據(jù)反映了安裝部位的總體受力情況。土壓力典型斷面變化趨勢見圖4。

圖4 典型斷面土壓力變化趨勢

6 結(jié) 論

（1）在一定邊界條件下，采用三維有限元法對進(jìn)水塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算能夠得到更為精準(zhǔn)的理論計(jì)算結(jié)果，對重點(diǎn)部位的劃分也更為明確，便于確定合理的結(jié)構(gòu)尺寸。

（2）在理論計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全工程措施才能做到經(jīng)濟(jì)可靠。

（3）嚴(yán)格規(guī)范的現(xiàn)場施工控制是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)藍(lán)圖、確保工程質(zhì)量的基礎(chǔ)。

（4）在今后的運(yùn)行管理中需進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析結(jié)構(gòu)受力，為類似工程提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。