高尾水廠房尾水閘墩三維有限元配筋計算研究

路 雷，陳仁宏，肖 蕾

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081）

1 工程概況

董箐水電站是西電東送第二批重點電源建設項目之一，為大（2）型Ⅱ等工程。位于貴州北盤江下游貞豐縣與鎮(zhèn)寧縣交界處?？傃b機容量為880 MW，安裝4 臺220 MW 水輪發(fā)電機組，保證出力172 MW，年平均發(fā)電量為31 億kW·h，水庫正常蓄水位490 m，總庫容9.55億m3，調節(jié)庫容1.438億m3，以發(fā)電為主，兼有防洪、供水、養(yǎng)殖和改善生態(tài)環(huán)境等綜合效益。

董箐水電站廠房布置在面板壩下游右岸壩腳附近，廠房軸線方位角為N23°E。廠區(qū)樞紐主要由主機間、右端安裝間、上游副廠房、上游升壓開關站、右端上游中控樓、下游副廠房、下游尾水平臺、尾水渠及進廠交通等建筑物組成。主廠房由主機間、安裝間組成，主機間長92.5 m，安裝間長44.5 m，總長137.0 m，高81.3 m，廠房凈跨度19.5 m，加兩側墻柱總寬25.5 m，機組間距22 m，機組安裝高程為359.6 m，發(fā)電機層高程376.7 m。上游副廠房布置在主廠房對應段上游，全長123 m，寬度18.5 m，高40.7 m。下游副廠房布置在主機間下游墻與尾水擋墻之間，長89 m，最大寬度6 m，最小寬度3 m，高32.8 m。中控樓布置在安裝間上游側副廠房頂部，中控樓尺寸為30.5 m×19 m×28.5 m（長×寬×高），中控室樓面高程424.0 m。升壓開關站為戶內式GIS升壓開關站，布置在主機間上游側副廠房頂部，主變開關室尺寸為92.5 m×19 m×28.5 m（長×寬×高）。尾水建筑物包括尾水管、尾水閘門操作平臺及尾水渠等。

董箐水電站受下游龍灘水庫運行方式的影響，尾水變幅達36 m，校核洪水尾水位為402.53 m（P=0.2%）。由于本工程電站廠房承受的最大水頭為61.83 m，相當于擋水建筑物的中型大壩，而廠房結構要滿足機電設備的布置要求，擋水結構不可能像重力壩一樣設計成大體積混凝土結構，只能設計為薄壁墻體結構，而且由于廠房尾水水位較高，廠房基底的揚壓力也相應較高，從而加大了廠房整體結構、下游擋水結構設計難度和風險，因此非常有必要對廠房下游尾水閘墩及尾水邊墻進行結構受力計算。

2 計算方法與步驟

2.1 計算方法

尾水擋墻從大體積混凝土以上（發(fā)電機出線層370.7 m以上）有37.23 m作用水頭，為保證下游擋水結構的安全可靠，采用長尾水閘墩與厚擋水墻聯(lián)合受力的擋水結構，通過有限元法計算，復核廠房下游擋水結構是否滿足規(guī)程規(guī)范要求。

廠房下游尾水閘墩及尾水邊墻為復雜異形結構，根據(jù)《水工混凝土結構設計規(guī)范》（DL/T5057-2009），無法按桿件結構力學方法求得截面內力的鋼筋混凝土結構，可由彈性力學分析方法求得結構在彈性狀態(tài)下的截面應力圖形，再根據(jù)拉應力圖形面積，確定相應工況下所要求的鋼筋數(shù)量。

當截面在配筋方向的正應力圖形偏離線性分布較大時，受拉鋼筋截面積As應按下式計算：

式中：T為由荷載設計值確定的主拉應力在配筋方向上形成的總拉力，N；TC為混凝土承擔的拉力，N；fy為鋼筋抗拉強度設計值，N/mm2；γd為鋼筋混凝土結構的結構系數(shù)。

2.2 計算步驟

本計算采用CATIA 三維建模，導入Hypermesh進行網格剖分，然后采用Abaqus軟件進行三維有限元計算，最后根據(jù)內力計算結果進行配筋計算。

3 計算模型及計算參數(shù)

3.1 計算模型

計算模型選取一個標準機組段（2#機組段）尾水閘墩及尾水擋墻建立分析模型，模型邊界上部取尾水平臺高程，下部從尾水閘墩底板以下取1 倍尾水閘墩高度的基巖，上、下游側基巖取1倍尾水閘墩高度，為簡化模型建立，只截取了廠房下游墻結構及相連接的部分樓板結構，計算模型選取閘墩右邊墻的底板處為原點，橫河向為X軸方向，順河向為Y軸方向，豎直方向為Z軸方向，計算模型大部分為8節(jié)點6 面體C3D8R 單元，局部采用楔形體過渡，模型節(jié)點57 857個，單元48 648個，網格模型見圖1，其中尾水閘墩及尾水擋墻采用精細化模型網格剖分。

圖1 有限元網格模型

基巖底部為固端約束，其余側面均為法向約束，考慮不同機組間設置分縫，尾水閘墩及尾水墻兩側均為自由，上游側副廠房樓板考慮有沿豎直方向位移及轉動，僅約束上、下游方向的位移。

3.2 計算參數(shù)

廠房基礎分布地層為T2b1-2厚層、中厚層砂巖夾泥巖，根據(jù)地勘報告及規(guī)范要求，混凝土及基巖物理力學參數(shù)見表1。

表1 廠房及基巖物理力學參數(shù)建議值

4 計算成果分析

4.1 內力計算

經計算，尾水閘墩及尾水擋墻結構最大的拉應為2.31 MPa，發(fā)生在尾水閘墩的中部外側，拉應力不大，可通過配置鋼筋解決；最大壓應力為4.90 MPa，位于擋水墻內側與下部大體積混凝土拐角處，小于混凝土抗壓強度；最大位移部位在結構頂部，最大位移值為13.2 mm，小于按排架柱計算的柱頂允許位移值（18 mm）。應力計算結果見圖2、圖3，變形計算結果見圖4。

圖2 最大主應力圖（拉應力/Pa）

圖3 最小主應力圖（壓應力/Pa）

圖4 變形矢量圖（m）

4.2 配筋計算

根據(jù)水工混凝土結構設計規(guī)范（DL/T5057-2009），無法按桿件結構力學方法求得截面內力的鋼筋混凝土結構，可由彈性力學分析方法或實驗方法求得結構在彈性狀態(tài)下的截面應力圖形，再根據(jù)拉應力圖形面積，確定鋼筋數(shù)量。本文使用有限元應力圖形法進行配筋計算。

4.2.1 閘墩配筋驗算

經驗算，Z方向最大拉應力為2.31 MPa，出現(xiàn)在中間閘墩端頭處，選取最危險的1-1截面（垂直Z軸方向，即配筋方向）進行配筋驗算。其中，中墩拉應力最大，故選擇中墩沿A-A路徑計算閘墩截面的拉應力（見圖5）。路徑A-A的應力分布見圖6。由AA 應力路徑進行應力圖形積分，可求得1-1 截面在豎直方向最大總拉力為T=1.628×104kN。

圖5 閘墩配筋應力路徑選擇圖

圖6 A-A路徑應力分布圖

由圖6可知，受拉區(qū)高度與截面高度比值h/H＞2/3，根據(jù)《水工混凝土結構設計規(guī)范》（DL/T5057-2009），彈性應力圖形的受拉區(qū)高度大于結構截面高度2/3 時，由混凝土承擔的拉應力Tc=0。因此，按式（1）計算受拉鋼筋截面面積As，式中Tc=0，即：

4.2.2 尾水邊墻配筋驗算

Z方向最大拉應力出現(xiàn)在擋水墻中部，選取最危險的2-2 斷面（垂直Z軸方向，即配筋方向）進行配筋驗算，2-2斷面沿B-B路徑拉應力最大，故選擇下游尾水邊墻沿B-B 路徑計算截面拉應力在Z方向的總面積(見圖7）。路徑B-B的應力分布見圖8。由B-B 應力路徑進行應力圖形積分，可求得2-2截面在豎直方向最大總拉力為T=479.2 kN。

圖7 擋水墻配筋應力路徑選擇圖

由圖8可知，受拉區(qū)與截面高度比值h/H＜2/3，根據(jù)《水工混凝土結構設計規(guī)范》（DL/T5057-2009），彈性應力圖形的受拉區(qū)高度小于結構截面高度2/3，且截面邊緣最大拉應力σmax為0.764 MPa，大于0.5ft，即σmax>0.5ft=0.55 MPa 時，需配置受拉鋼筋。由混凝土承擔的拉應力Tc=143.8 kN，按式（1）計算受拉鋼筋截面面積As：

圖8 B-B路徑應力分布圖

4.3 計算對比

將上述應力配筋計算結果與實際配筋量進行比較，可知實際配筋面積大于計算得到受拉鋼筋截面面積（見表2），在豎直方向上實際配筋量偏安全保守。

表2 應力配筋與實際配筋結果比較表mm2

5 結論

（1）尾水閘及尾水擋墻結構最大的拉應為2.31 MPa，發(fā)生在尾水閘墩的中部外側，拉應力不大，可通過配置鋼筋解決；最大壓應力為4.90 MPa，位于擋水墻內側與下部大體積混凝土拐角處，小于混凝土抗壓強度；最大位移部位在結構頂部，最大位移值13.2 mm，小于按排架柱計算的柱頂允許位移值（18 mm）。結果表明尾水閘墩及尾水擋墻產生的應力不大，可通過配置鋼筋解決，產生的變形也在規(guī)范允許范圍內，因此，尾水閘墩與尾水擋墻結構是安全可靠的。

（2）可采用有限元應力圖形法進行配筋計算，在豎直方向上尾水閘墩和尾水邊墻配筋面積分別為54 266.7、1 357.8 mm2，均遠小于實際配筋面積，實際配筋量偏安全保守，今后設計中尾水閘墩和尾水邊墻配筋量可結合實際運行觀測數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。