深大直徑調(diào)壓井檢修門閘墩結(jié)構(gòu)優(yōu)化

靳俊杰,邵 祥,張利平,李明樂(lè) ,石廣斌

(1.中國(guó)電建集團(tuán)水電工程十一局有限公司，鄭州 450001；2.中國(guó)電建集團(tuán)水電工程五局有限公司，成都 610066；3.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；4.西安建筑科技大學(xué)，西安 710055)

0 前 言

國(guó)外某引水式電站的引水系統(tǒng)主要建筑物包括進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井和壓力管道。引水隧洞總長(zhǎng)約5.2 km，襯砌后直徑11.4 m，在引水隧洞末端約4.5 km處布設(shè)開敞式調(diào)壓井。調(diào)壓井采用阻抗式，井筒斷面內(nèi)徑為32 m，開挖底部高程為481.50 m，井頂高程為615.00 m，鋼筋混凝土襯砌厚2.0 m。調(diào)壓井底部引水隧洞分岔為5條壓力管道，每條壓力管道進(jìn)口設(shè)置1道檢修門和1道事故閘門，孔口尺寸均為4.8 m×4.8 m(寬×高)，檢修閘門槽與調(diào)壓井聯(lián)通即同在1個(gè)大井內(nèi)，檢修閘門閘墩高116.9 m；事故閘門位于下游事故閘室內(nèi)，事故閘室與檢修門槽之間是一道3.25 m厚的鋼筋混凝土墻。調(diào)壓井開挖斷面為圓形+扇形異形結(jié)構(gòu)，最大開挖直徑為50.8 m，開挖深度為133.2 m。阻抗板頂面高程為498.40 m，底面高程為495.40 m，厚度為3.0 m。調(diào)壓井最高涌浪為612.30 m，最低涌浪為500.79 m，阻抗板以上井筒作用的最大水頭為113.9 m。

由于壓力管道檢修門閘墩與調(diào)壓井同在1個(gè)大井內(nèi)，鋼筋混凝土襯砌斷面為半圓形+凸凹扇形結(jié)構(gòu)。按常規(guī)設(shè)計(jì)要在檢修閘門槽上游設(shè)置胸墻或連系梁[1]，將會(huì)給井筒混凝土滑模澆筑帶來(lái)困難和不便。而本工程檢修門閘墩高度為116.9 m，井筒最大PD=4 450 m2，國(guó)內(nèi)外較為少見，可借鑒工程經(jīng)驗(yàn)較少，取消檢修閘門槽上游設(shè)置的胸墻或連系梁，將會(huì)給結(jié)構(gòu)受力帶來(lái)不利，也可能對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載能力帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)等。因此，本文采用三維有限元法，基于不同檢修閘門的閘墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，對(duì)調(diào)壓井檢修門閘墩結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化，為便于進(jìn)行滑模施工，降低潛在安全風(fēng)險(xiǎn)提供支撐。

1 檢修門閘墩結(jié)構(gòu)體形擬定

根據(jù)結(jié)構(gòu)需要完成的預(yù)定功能和檢修閘門的體形以及調(diào)壓井穩(wěn)定斷面及阻抗孔直徑，擬定了3種檢修門閘墩結(jié)構(gòu)，如圖1～3。方案1是在檢修門槽前設(shè)置2.0m厚的胸墻，在阻抗板中心處設(shè)置阻抗孔，直徑為7.0 m，體形示意如圖1。方案2是在檢修門槽上游，沿高度方向上每隔4.5 m設(shè)置1道連系梁，梁截面為2.0 m×2.0 m(寬×高)，阻抗板不設(shè)阻抗孔，由檢修門槽代替，體形示意如圖2。方案3是在方案2基礎(chǔ)上取消檢修門槽上游的連系梁，體形示意如圖3。

圖1方案1結(jié)構(gòu)體形示意 單位：m

圖2方案2結(jié)構(gòu)體形示意 單位：m

圖3方案3結(jié)構(gòu)體形示意 單位：m

表1 設(shè)計(jì)工況和荷載分項(xiàng)系數(shù)

表1中的工況A為正常運(yùn)行，內(nèi)水水位579.00 m。工況B為最高涌浪，內(nèi)水水位：612.30 m。工況C為阻抗板向下最大壓差為6.19 m，內(nèi)水水位為587.35 m。工況D為阻抗板向上最大壓差為17.72 m，內(nèi)水水位為575.53 m。工況E為檢修口，外水水位為505.00 m。所有荷載均需乘以水力因子Hf=1.3。

2 材料參數(shù)

調(diào)壓井井筒襯砌和檢修門槽閘墩結(jié)構(gòu)混凝土材料力學(xué)參數(shù)見表2。鋼筋強(qiáng)度和彈性模量見表3。

表2 襯砌混凝土材料力學(xué)參數(shù)

表3 鋼筋強(qiáng)度和彈性模量

本工程調(diào)壓井位于山梁部位，其地下水排泄條件較好，調(diào)壓井整體位于地下水位以上。調(diào)壓井高程570.00 m以上巖體穩(wěn)定性差，為Ⅳ類圍巖，506.00～570.00 m段巖體穩(wěn)定性一般，為Ⅲ類圍巖，斷層破碎帶及裂隙密集帶段為Ⅳ類圍巖，調(diào)壓井圍巖的物理力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 調(diào)壓井圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力三維有限元計(jì)算分析

3.1 三維有限元模型

地下混凝土結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用的受力機(jī)制是非常復(fù)雜的，目前這類結(jié)構(gòu)受力分析主要借助有限元[4-9]。本文依據(jù)調(diào)壓井混凝土結(jié)構(gòu)擬定體型圖，構(gòu)建三維有限元數(shù)值分析模型如圖4～5。調(diào)壓井周邊到計(jì)算邊界的最小距離為170.0 m，調(diào)壓井最低建基面到計(jì)算模型底部的距離為141.5 m。模型采用迭卡爾直角坐標(biāo)系，符合右手螺旋定則，X軸順?biāo)鞣较?，指向下游為正；Y垂直水流方向，左手為正(面向下游)；Z軸為豎直方向，指向上為正。

圖4 圍巖單元網(wǎng)格示意

混凝土結(jié)構(gòu)用6面體或5面體單元單元模擬，單元邊長(zhǎng)約為0.8～1.5 m。圍巖用4面體單元來(lái)模擬，單元邊長(zhǎng)1.0～35.0 m。用接觸單元模擬圍巖和混凝土結(jié)構(gòu)之間的接觸。模型底面為固定約束，4個(gè)側(cè)面為法向約束，地表為自由面。

圖5 混凝土結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)格示意

3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算分析

限于篇幅，本文就工況B的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行闡述，混凝土結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)計(jì)算也是針對(duì)該工況。3種結(jié)構(gòu)體系對(duì)檢修門槽附近(如圖6中的陰影區(qū))拉應(yīng)力分布區(qū)域及極值大小有明顯的影響。當(dāng)沒有胸墻或連系梁時(shí)，門槽下游直角點(diǎn)(即圖6中的F和G等)環(huán)向拉應(yīng)力明顯偏大，如圖7。方案1上游墻上的環(huán)向拉應(yīng)力最大值達(dá)到2.56 MPa，大于混凝土抗拉強(qiáng)度2.01 MPa，此時(shí)檢修閘門槽上游墻必然開裂，內(nèi)力也就轉(zhuǎn)移到檢修門槽下游墻上，若其承載能力配筋不足，將會(huì)增加檢修門槽下游墻的不安全性；同樣，方案2梁上的環(huán)向拉應(yīng)力最大值達(dá)到4.90 MPa，也遠(yuǎn)大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，此時(shí)連系梁也必然開裂，內(nèi)力同樣要轉(zhuǎn)移到檢修門槽下游墻上，相對(duì)于方案1，轉(zhuǎn)移的內(nèi)力要少一些，圖7(a)和圖7(b)可以驗(yàn)證這一點(diǎn)。當(dāng)不設(shè)置上游胸墻或連系梁后，檢修閘門槽直角部位的拉應(yīng)力雖然會(huì)有一定程度的增加，但從受力筋和構(gòu)造筋兩個(gè)方面可解決結(jié)構(gòu)承載能力問(wèn)題。

圖6 高程513.00 m以上截面

圖7 高程520.00 m截面環(huán)向應(yīng)力 單位：MPa

圖6中的A、B、C、D、E、F、G等6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的拉應(yīng)力統(tǒng)計(jì)見表5，其變化趨勢(shì)見圖8。從圖8中可以清楚地看出，檢修門槽上游是否設(shè)置墻或連系梁，對(duì)檢修門槽下游直角處附近拉應(yīng)力影響最大，相對(duì)于方案3，設(shè)置上游胸墻，門槽直角處的拉應(yīng)力降幅可達(dá)到16.3%～49.9%，影響非常明顯；設(shè)置連系梁，其拉應(yīng)力降幅為2.4%～23.5%，影響比較明顯；而對(duì)于上游半圓混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，檢修門槽設(shè)置上游墻時(shí)，其拉應(yīng)力降幅為2.2%～10.6%；設(shè)置連系梁，其拉應(yīng)力降幅為2.5%～3.3%，影響較小。

表5 觀測(cè)拉應(yīng)力統(tǒng)計(jì) /MPa

圖8 觀測(cè)點(diǎn)拉應(yīng)力變化

3.3 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

按內(nèi)力法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)承進(jìn)行載能力極限狀態(tài)計(jì)算[10]，關(guān)鍵截面配筋計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 配筋計(jì)算結(jié)果

從表6可以清楚看出，3種方案中，方案3典型截面配筋最少。相對(duì)于方案3，方案1和方案2增加的配筋面積分別為13.6%和10.0%，主要原因是方案3的閘墩在水平平面上的剛度相對(duì)較小，相反傳遞到圍巖上的內(nèi)水壓力會(huì)增加，充分利用了圍巖的抗力作用。

綜上所述，3種方案中，方案3配筋最少，體形上又便于施工，而檢修門閘墩僅靠圍巖，可以做到充分利用圍巖抗力作用，降低混凝土結(jié)構(gòu)自身的內(nèi)力轉(zhuǎn)移而造成檢修閘門槽下游墻配筋的不足，同時(shí)也就消除了因內(nèi)力轉(zhuǎn)移所引起的結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，確定方案3為推薦方案。

4 結(jié) 論

(1) 采用三維有限元對(duì)調(diào)壓井襯砌和檢修門閘墩結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用應(yīng)力分析得出，檢修門槽上游設(shè)置的胸墻或連系梁對(duì)閘墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布影響比較明顯，去之可以充分利用圍巖的抗力，降低結(jié)構(gòu)自身內(nèi)力轉(zhuǎn)移所帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)計(jì)算基礎(chǔ)上，確定檢修門槽上游不設(shè)置胸墻或連系梁的結(jié)構(gòu)體系是安全的。

工程已采用了在檢修閘門槽上游不設(shè)置胸墻或連系梁，實(shí)現(xiàn)了調(diào)壓井上部井筒混凝結(jié)構(gòu)整體滑模澆筑，不僅提高混凝土施工速度，而且獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，值得同類工程借鑒。