基于ANSYS 的四川岷江犍為航電樞紐工程泄水閘結(jié)構(gòu)分析

王閨臣，杜 歡，余小華，劉 杰

（1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610000；2.四川恒捷路通工程技術(shù)咨詢有限公司，四川 成都 610000；3.四川濟(jì)通工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，四川 成都 610000）

犍為航電工程位于四川省樂(lè)山市犍為縣境內(nèi)，是樂(lè)山市第一農(nóng)業(yè)大縣，工業(yè)基礎(chǔ)較薄弱，發(fā)展速度相對(duì)較慢。通過(guò)岷江（樂(lè)山～龍溪口）梯級(jí)航電工程的建設(shè)，除促進(jìn)樂(lè)山、宜賓市的經(jīng)濟(jì)和水路旅游發(fā)展外，也是帶動(dòng)犍為縣經(jīng)濟(jì)和鄉(xiāng)村旅游發(fā)展、加快犍為縣第三產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展的需要。犍為航電工程綜合開發(fā)可完善農(nóng)業(yè)灌溉網(wǎng)絡(luò)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水設(shè)施，使庫(kù)區(qū)河段獲得充足水量，保障農(nóng)田灌溉和生活用水的供水條件，有利于促進(jìn)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展。

1 工程概述

岷江犍為航電樞紐工程位于岷江下游樂(lè)山市犍為縣境內(nèi)，是規(guī)劃的岷江樂(lè)山至宜賓162 km 長(zhǎng)河段航電六級(jí)開發(fā)方案的第3 級(jí)。工程開發(fā)任務(wù)為以航運(yùn)為主、結(jié)合發(fā)電，兼顧供水、灌溉，并促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。根據(jù)泄洪的要求，20年一遇泄流量需達(dá)到36100 m3/s，100年達(dá)到49400 m3/s，1000年校核的洪量達(dá)到69000 m3/s。根據(jù)泄流量、地形地質(zhì)、泥沙等情況綜合考慮，擋泄建筑物采用平底閘的結(jié)構(gòu)。閘門經(jīng)過(guò)平板門和弧形門的比較、經(jīng)過(guò)不同孔口寬度的比較，并結(jié)合水工模型試驗(yàn)成果，推薦采用28 孔泄水閘，每孔15 m 凈寬，堰頂高程317.0 m，平板閘門的型式泄水閘溢流堰堰頂高程為317.00 m，擋水高度18.0 m；溢流堰面中部為水平直線段，上游以拋物線與豎直線連接，拋物線方程（x/7）2+(y/2)2=1，下游則以1∶3 的斜坡與消力池相連。閘墩主體長(zhǎng)25.25 m，左岸20 個(gè)閘段（1#～20#）底板厚5 m，底面高程312.00 m 上、下游齒墻各深5 m，齒墻底高程307.00 m；右岸7 個(gè)閘段（21#～27#）底板厚8 m，底面高程309.00 m，上、下游齒墻各深4m，齒墻底高程305.00 m。在閘室底板上游部分設(shè)置灌漿排水廊道。底板順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度為30.5 m。

2 泄水閘結(jié)構(gòu)計(jì)算

泄水閘部分的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算采用ANSYS 三維計(jì)算[1]。根據(jù)布置及分縫情況，分別計(jì)算兩個(gè)壩段，包括1# 壩段和中間典型壩段。

2.1 中間典型壩段（3#～25# 壩段）

（1）計(jì)算工況及相應(yīng)水位情況

犍為水電站上游庫(kù)水位、下游水位和水荷載計(jì)算條件見(jiàn)表1。

表1 犍為水電站上游庫(kù)水位和下游水位

（2）計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 混凝土基本力學(xué)參數(shù)

配筋計(jì)算鋼筋選用HPB300，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=fy′＝300N/mm2?；鶐r按照地質(zhì)分層及地質(zhì)建議值指標(biāo)。

（3）計(jì)算模型

采用三維實(shí)體全六面體單元模擬泄水閘及地基，見(jiàn)圖1。有限元模型共有單元13394 個(gè)，結(jié)點(diǎn)16184 個(gè)。

圖1 泄水閘典型壩段整體網(wǎng)格示意圖

（4）計(jì)算結(jié)果

①位移結(jié)果

從表3 來(lái)看，各種工況下最大順?biāo)飨蛭灰茷?.063 mm，出現(xiàn)在地震工況泄水閘閘墩頂部。各種工況最大鉛直向位移為5.997 mm（向下），出現(xiàn)在地震工況泄水閘閘墩下游頂部，見(jiàn)圖3。除一側(cè)檢修工況外，各種工況最大壩軸向位移左右基本對(duì)稱，但一側(cè)檢修工況最大壩軸向位移為6.924 mm，位于泄水閘閘墩上游頂部，見(jiàn)圖4。就泄水閘整體結(jié)構(gòu)而言，泄水閘各個(gè)方向位移分布連續(xù)均勻。由于地震具有鞭梢效應(yīng)等特性，地震工況的位移相對(duì)一般工況較大；在一側(cè)檢修工況，由于左右側(cè)水壓力很不平衡，泄水閘壩軸向位移較大。

表3 泄水閘整體三向位移范圍 單位:mm

圖2 地震情況泄水閘整體順?biāo)飨蛭灰圃茍D（單位：m）

圖3 地震情況泄水閘整體鉛直向位移云圖（單位：m）

圖4 一側(cè)檢修情況泄水閘整體壩軸向位移云圖（單位：m）

②應(yīng)力結(jié)果

各種計(jì)算工況下泄水閘整體三向最大拉應(yīng)力，見(jiàn)表4，應(yīng)力等值線云圖見(jiàn)圖5～圖7。

表4 泄水閘（中間壩段）整體三向應(yīng)力峰值 單位:MPa

圖5 正常蓄水位情況泄水閘整體順?biāo)飨驊?yīng)力云圖（單位：Pa）

圖6 一側(cè)檢修情況泄水閘整體鉛直向應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖7 正常蓄水位情況泄水閘整體壩軸向應(yīng)力云圖（單位：Pa）

從泄水閘整體三向最大拉應(yīng)力和應(yīng)力等值線圖來(lái)看，泄水閘順?biāo)飨蚶瓚?yīng)力主要分布在閘墩頂部、門槽和閘基底部附近，分布范圍和最大拉應(yīng)力都不大。

在一側(cè)檢修工況，閘墩右側(cè)底部附近分布較小范圍的拉應(yīng)力，最大值為1.0 MPa，其余工況和部位基本上無(wú)鉛直向拉應(yīng)力分布。壩軸向拉應(yīng)力主要分布在閘基底面中部（沿閘墩分布）和閘門附近，最大值為0.41 MPa。

泄水閘的順?biāo)飨蚝蛪屋S向的壓應(yīng)力較小；鉛直向壓應(yīng)力較大，最大值為2.29 MPa。從泄水閘應(yīng)力分布情況來(lái)看，泄水閘的設(shè)計(jì)是合適的。

2.2 邊壩段（1# 壩段）

（1）計(jì)算模型

1#壩段計(jì)算模型見(jiàn)圖8。

圖8 1#壩段計(jì)算模型

（2）計(jì)算工況

同中間壩段。

（3）計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，檢修工況為控制工況。一個(gè)是1#孔正常擋水，2#孔檢修（檢修工況1）；另一種情況是1#檢修，2#孔正常擋水（檢修工況2）。由于變形過(guò)大，1# 墩止水需布置在下0+013.30。

從圖9～圖16 中可以看出，在檢修工況下，由于上游水壓力較大，并且伴有側(cè)向水壓力差，閘墩頂部有較大的位移（最大9.2 mm）。而在門槽部位、閘墩底部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，經(jīng)過(guò)配筋計(jì)算分析，一般配筋在5Φ25 左右，結(jié)構(gòu)布置比較合理。

圖9 檢修工況1 位移總圖

圖11 SY 拉應(yīng)力（單位:Pa）

圖12 SZ 拉應(yīng)力（單位:Pa）

圖13 總體位移圖（單位:m）

圖14 SX 拉應(yīng)力（單位:Pa）

圖15 SY 拉應(yīng)力（單位:Pa）

圖16 SZ 拉應(yīng)力（單位:Pa）

3 結(jié)語(yǔ)

泄水閘作為主要利用閘門擋水的低水頭泄水建筑物，由閘室和上下游連接段組成，是水利工程的重要建筑物。泄水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算分析對(duì)電站樞紐工程的運(yùn)行安全十分重要。通過(guò)上文分析，岷江犍為航電樞紐工程泄水閘中間典型壩段（3#～25#壩段）地震工況的位移相對(duì)一般工況較大；在一側(cè)檢修工況下，由于左右側(cè)水壓力很不平衡，泄水閘壩軸向位移較大。

從泄水閘應(yīng)力分布情況來(lái)看，泄水閘的設(shè)計(jì)是合適的。邊壩段（1#壩段）在檢修工況下，由于上游水壓力較大，并且伴有側(cè)向水壓力差，閘墩頂部有較大的位移，而在門槽部位、閘墩底部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，經(jīng)過(guò)配筋計(jì)算分析，一般配筋在5Φ25左右，結(jié)構(gòu)布置比較合理。