安格莊水庫(kù)泄洪洞豎井閘室有限元分析

孟衛(wèi)濤

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊050021）

豎井式進(jìn)水口是在泄洪洞進(jìn)口附近開(kāi)挖豎井，井壁襯砌，井底設(shè)閘門控制，因結(jié)構(gòu)布置型式簡(jiǎn)單，抗震和穩(wěn)定性好，不受風(fēng)浪和冰的影響，工程量小，造價(jià)低，是水庫(kù)泄洪洞常見(jiàn)結(jié)構(gòu)型式，在地質(zhì)條件允許情況下應(yīng)用廣泛［1］。 豎井式泄洪洞閘室結(jié)構(gòu)型式介于開(kāi)敞式和涵洞式之間， 頂部開(kāi)孔設(shè)豎井和通氣孔， 本文利用MIDAS/GTS軟件， 建立三維有限元模型， 分析了豎井式進(jìn)水口閘室在不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變特性， 同時(shí)對(duì)閘室箱涵段按結(jié)構(gòu)力學(xué)公式進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算， 通過(guò)對(duì)比分析， 確定閘室結(jié)構(gòu)尺寸和配筋，對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，改善結(jié)構(gòu)受力條件，同時(shí)對(duì)工程施工提出建議。

1 工程概況

安格莊水庫(kù)位于河北省保定市， 系海河流域大清河水系主要控制工程，是一座以防洪灌溉為主、結(jié)合發(fā)電養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程，水庫(kù)總庫(kù)容2.86億m3，水庫(kù)現(xiàn)狀為100年一遇洪水設(shè)計(jì)，2000年一遇洪水校核。 主壩壩頂長(zhǎng)602m， 最大壩高49.4m；溢洪道位于右壩頭東南500m處，設(shè)計(jì)最大泄量4388m3/s；泄洪洞為有壓圓形隧洞，洞徑4m。 水庫(kù)自建成投入運(yùn)行50多年來(lái)，在防洪、灌溉、發(fā)電等方面發(fā)揮了顯著效益，但水庫(kù)大壩、溢洪道和泄洪洞多年運(yùn)行后存在諸多問(wèn)題， 安全鑒定結(jié)論為三類壩。2017年實(shí)施的水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行了壩坡翻修和左壩頭防滲處理， 對(duì)溢洪道進(jìn)行了拆除重建，對(duì)泄洪洞出口閘進(jìn)行拆除重建，并在泄洪洞進(jìn)口與主壩之間新建豎井。

安格莊水庫(kù)泄洪洞位于南壩頭的基巖內(nèi)， 由引渠、進(jìn)水塔、洞身、出口閘和消力池5部分組成，洞身為有壓圓形隧洞，洞徑4m，坡降1/1000，全長(zhǎng)350.3m。泄洪洞末端設(shè)有3個(gè)內(nèi)徑1.75m的發(fā)電支洞， 裝機(jī)容量3200kW/臺(tái)。

水庫(kù)工程區(qū)地處太行山東麓的低山區(qū)， 地形由西向東逐漸變低。 大壩以北堅(jiān)硬質(zhì)脆的白云質(zhì)灰?guī)r在長(zhǎng)期風(fēng)化侵蝕切割作用下形成了陡峰深谷， 大壩以南多為低山寬谷，庫(kù)區(qū)基巖裸露。河流兩岸不對(duì)稱的發(fā)育有三級(jí)階地， 河床中沖洪積砂卵石層厚6m左右，河谷呈不對(duì)稱“U”型。場(chǎng)區(qū)白云質(zhì)灰?guī)r裸露，坡度陡峭，右側(cè)發(fā)育溝谷。 巖體呈弱透水性，基巖承載力高， 物探聲波測(cè)試結(jié)果， 場(chǎng)區(qū)巖體完整性吸收為0.08～0.22，鉆探場(chǎng)區(qū)表層為碎石土，其下為白云質(zhì)灰?guī)r，抗剪斷建議值：f′=1.16，C′=0.73MPa。

2 計(jì)算模型

MIDAS/GTS軟件是韓國(guó)MIDAS IT公司針對(duì)巖土隧道領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)分析開(kāi)發(fā)的程序，由建筑、橋梁、巖土、機(jī)械等十幾種軟件組成，廣泛使用于工程、電子、醫(yī)療等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。與其他大型通用有限元軟件相比，除具有強(qiáng)大的前后處理及求解功能外， 還可方便地進(jìn)行回填、開(kāi)挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)等施工階段分析［2］。 根據(jù)主體工程設(shè)計(jì)， 豎井、 通氣孔及底部閘室為整體結(jié)構(gòu)，有限元分析對(duì)該結(jié)構(gòu)整體建模，模型選用軟件三維平面單元， 將閘室、 豎井及通氣孔墻體簡(jiǎn)化為平面，同時(shí)選用三維實(shí)體單元模擬巖石基礎(chǔ)，建立三維本構(gòu)模型， 為確保網(wǎng)格劃分合理， 先對(duì)曲面進(jìn)行分割，網(wǎng)格單元尺寸取0.1m，模型網(wǎng)格劃分成果，如圖1。為驗(yàn)證模型計(jì)算準(zhǔn)確性， 對(duì)閘室進(jìn)、 出口段箱涵結(jié)構(gòu)， 采用結(jié)構(gòu)力學(xué)公式按二維框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，與有限元模型計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

圖1 豎井模型及網(wǎng)格劃分

3 計(jì)算方案

安格莊水庫(kù)承擔(dān)著精準(zhǔn)扶貧和振興旅游經(jīng)濟(jì)的重要功能， 縣政府將旅游經(jīng)濟(jì)作為精準(zhǔn)扶貧的重要支撐， 水庫(kù)庫(kù)區(qū)作為國(guó)家級(jí)水利風(fēng)景區(qū)和河北省首屆旅發(fā)大會(huì)舉辦地， 是下游雄安新區(qū)生態(tài)景觀水保障水源地，承擔(dān)新區(qū)城市風(fēng)貌的供水需求。若放空水庫(kù)，不僅影響當(dāng)?shù)芈糜?、?jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境，更無(wú)法保證新區(qū)建設(shè)生態(tài)用水， 新建豎井需在水庫(kù)蓄水條件下施工。

水庫(kù)泄洪洞承擔(dān)泄洪、輸水、灌溉和放空水庫(kù)的功能， 根據(jù)水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用方案和施工組織設(shè)計(jì)確定計(jì)算方案。 施工期，利用原進(jìn)口閘封堵，豎井內(nèi)水位可降至建基面以下，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，水位與庫(kù)水位基本一致；輸水、灌溉期，水庫(kù)均采用發(fā)電支洞放水，泄洪洞出口閘關(guān)閉，豎井及通氣孔內(nèi)水位根據(jù)庫(kù)水位及放水流量計(jì)算， 發(fā)電站停機(jī)時(shí)， 考慮涌波影響；泄洪期，泄洪洞出口閘開(kāi)啟，與輸水、灌溉期類似， 豎井及通氣孔內(nèi)水位根據(jù)庫(kù)水位及泄洪流量計(jì)算；水庫(kù)正常蓄水，泄洪洞出口閘門關(guān)閉，豎井及通氣孔水位與庫(kù)水位一致；泄洪洞事故檢修，則豎井閘門關(guān)閉，豎井水位與庫(kù)水位一致，通氣孔及下游洞身無(wú)水。本工程新建豎井閘室選取以下4種運(yùn)行工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算方案匯總?cè)绫?。

表1 豎井計(jì)算方案匯總

蓄水期、輸水期和泄洪期，豎井泄洪洞閘室運(yùn)用條件基本一致，僅豎井內(nèi)水位不同；施工期，庫(kù)水位根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)庫(kù)水位152.0m， 泄洪洞進(jìn)口原檢修閘門關(guān)閉作為施工圍堰，泄洪洞內(nèi)無(wú)水。校核洪水時(shí)庫(kù)水位168.52m，根據(jù)水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用方案，水庫(kù)遇校核洪水時(shí)， 水庫(kù)泄洪設(shè)施全開(kāi)， 泄洪洞泄洪流量228m3/s，泄洪洞水頭損失按SL279—2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)公式計(jì)算，流速水頭16.78m，水頭損失8.56m， 豎井內(nèi)水位143.18m， 低于最高蓄水位160m， 匯總計(jì)算不再計(jì)列校核洪水和設(shè)計(jì)洪水工況閘室內(nèi)力。

4 計(jì)算成果

根據(jù)主體工程設(shè)計(jì)， 新建豎井閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)10m，閘孔凈寬3.5m，閘底板高程與現(xiàn)狀泄洪洞底高程一致，取127.95m，根據(jù)現(xiàn)狀進(jìn)口閘結(jié)構(gòu)并參考類似工程， 擬定閘室結(jié)構(gòu)尺寸如下： 底板、 邊墩厚1.6m， 頂板厚1.25m， 閘室上部豎井孔口尺寸2.5m×3.5m， 壁厚1.0m， 高24.0m； 通氣孔孔口尺寸1.1m×1.4m，壁厚0.7m。 混凝土等級(jí)均采用C30。

豎井底部閘室主要荷載包括結(jié)構(gòu)自重、水重、內(nèi)水壓力、外水壓力和圍巖壓力等，各運(yùn)用條件下，外荷載按照相應(yīng)水位等參數(shù)單獨(dú)計(jì)算［3］，運(yùn)行期，豎井受內(nèi)水壓力為主， 圍巖壓力按下限計(jì)； 事故檢修期間，檢修門前以內(nèi)水壓力為主，門后以外水和圍巖壓力為主，圍巖壓力按上限計(jì)；施工期，豎井受外水和圍巖壓力，圍巖壓力取上限。 為安全考慮，各運(yùn)行工況計(jì)算均考慮豎井部分混凝土自重作用在閘室上。

本次計(jì)算以最高蓄水工況為例計(jì)算豎井閘室各部位內(nèi)力， 內(nèi)、 外水壓力和圍堰壓力等荷載按SL744—2016《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)公式計(jì)算， 將該工況下計(jì)算的荷載施加于豎井及閘室模型網(wǎng)格劃分單元和界面， 并按實(shí)際情況進(jìn)行荷載組合， 在模型底部與圍巖實(shí)體交界處對(duì)添加必要的約束，選用線性分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算［4］，模型計(jì)算成果如圖2～圖4。

圖2 Fxx軸內(nèi)力

圖3 Fxy軸內(nèi)力

圖4 Fyy軸內(nèi)力

各計(jì)算工況下，采用有限元方法計(jì)算，豎井閘室最大內(nèi)力計(jì)算成果如表2。按二維框架結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法閘室進(jìn)、出口段最大內(nèi)力計(jì)算成果如表3。

表2 有限元法閘室最大內(nèi)力匯總

表3 結(jié)構(gòu)力學(xué)法閘室最大內(nèi)力匯總

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算成果，與結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算成果相比，模型計(jì)算各部位彎矩較小，邊墩和頂板軸力較大，模型計(jì)算顯示在豎井邊墻與閘室頂板、閘墩交界處應(yīng)力集中較明顯，底板內(nèi)力相差不大，計(jì)算表明豎井結(jié)構(gòu)自重對(duì)閘室頂板、閘墩內(nèi)力影響較大。

5 成果分析

本工程閘室介于涵洞式與開(kāi)敞式之間，閘室進(jìn)、出口箱涵段長(zhǎng)度較短， 按框架結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算各部位內(nèi)力無(wú)法考慮上部結(jié)構(gòu)自重及上部結(jié)構(gòu)對(duì)閘室邊墩和頂板約束的影響， 簡(jiǎn)化計(jì)算存在一定局限性，有限元模型通過(guò)三維建模，對(duì)整體結(jié)構(gòu)求解分析，充分考慮自身結(jié)構(gòu)和外部荷載的影響，各部位內(nèi)力計(jì)算相對(duì)準(zhǔn)確， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以此進(jìn)行配筋計(jì)算和裂縫開(kāi)展寬度驗(yàn)算［5］。 三維有限元模型能夠更加真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)各部位的受力狀態(tài)， 且通過(guò)調(diào)整各分項(xiàng)荷載的大小，對(duì)比模型分析結(jié)果，能夠反映各分項(xiàng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響， 對(duì)施工期和運(yùn)行期的可控荷載進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減小工程量和投資。

施工期考慮了豎井部分井身混凝土自重， 對(duì)閘室頂板、邊墩內(nèi)力影響較大，本工程通過(guò)對(duì)豎井采取分段加肋， 減小了豎井混凝土自重對(duì)閘室的不利影響，同時(shí)在豎井底部與閘室交界周邊加肋，改善了閘室結(jié)構(gòu)的受力條件。