混凝土高拱壩表孔群應(yīng)力分析

張 石,肖 妮

(1．中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122;2．水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；3．水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310012)

0 引 言

隨著我國(guó)水電事業(yè)的大力發(fā)展，新建了一系列的擋水大壩，拱壩由于省材、應(yīng)力狀態(tài)良好、可建高壩等特點(diǎn)大受歡迎。拱壩由于空間效應(yīng)顯著，表孔群應(yīng)力受壩體整體變形影響大，其應(yīng)力分布規(guī)律與重力壩不同。近年來(lái)對(duì)拱壩孔口進(jìn)行的研究，主要針對(duì)應(yīng)力分布及孔口配筋這方面。文獻(xiàn)[1_2]對(duì)溪洛渡拱壩進(jìn)行了孔口配筋設(shè)計(jì)研究，對(duì)孔口進(jìn)行了精細(xì)模擬，模型考慮了閘墩大梁等結(jié)構(gòu)，選取典型孔口進(jìn)行子模型分析，并配筋。文獻(xiàn)[3]研究了孔口閘墩對(duì)溪洛渡拱壩靜動(dòng)力的影響，闡述動(dòng)力工況下表孔閘墩應(yīng)力分布，而靜力工況僅關(guān)注壩體應(yīng)力，未分析孔口應(yīng)力。文獻(xiàn)[4]對(duì)白鶴灘拱壩底孔的應(yīng)力及配筋設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，未涉及表孔，由于表孔與底孔形式不同，其應(yīng)力分布存在很大差異。

本文對(duì)某西南水電工程大壩、壩基及孔口、閘墩等整體模型進(jìn)行應(yīng)力分析，評(píng)價(jià)表孔群周邊范圍應(yīng)力水平、分布狀態(tài)；同時(shí)研究不同工況組合下對(duì)表孔群應(yīng)力影響。

1 工程概況

某水電站位于我國(guó)西南地區(qū)，工程規(guī)模為大(1)型，樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高155.00 m，泄水建筑物初擬采用壩身布置3個(gè)表孔和4個(gè)中孔，每個(gè)表孔寬為12 m、高為14 m，堰頂高程為2 080.00 m；4個(gè)中孔出口底板高程均為2 029.00 m，出口斷面尺寸為5.5 m×7 m，壩身最大泄量達(dá)11 200 m3/s。表、中孔出口處最大單寬流量分別達(dá)176 m3/s·m和222 m3/s·m。

2 計(jì)算情況

2.1 計(jì)算方法及模型

采用空間線彈性有限元程序?qū)皦握w結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)孔口周圍混凝土網(wǎng)格適當(dāng)加密，以準(zhǔn)確的確定孔口與壩體其他部位之間的內(nèi)部相互作用力。計(jì)算時(shí)模擬拱壩分期施工和分期蓄水過(guò)程，考慮水壓力、泥沙壓力、溫度荷載及弧門(mén)推力等。水壓力為上下游靜水壓力，溫度荷載根據(jù)規(guī)范計(jì)算拱壩穩(wěn)定溫度場(chǎng)，每孔弧門(mén)推力分別通過(guò)兩個(gè)支鉸作用在大梁上。

根據(jù)施工過(guò)程和計(jì)算分析要求需要，模擬壩身3個(gè)表孔、4個(gè)深孔以及相應(yīng)的閘墩結(jié)構(gòu)，建立了網(wǎng)格模型，采用六面體八結(jié)點(diǎn)等參單元進(jìn)行離散。表孔自左岸至右岸依次編號(hào)為1、2、3號(hào)孔口(見(jiàn)圖1)。

進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí)，為保證孔口應(yīng)力計(jì)算精度，對(duì)孔口部分進(jìn)行了加密?？卓诩爸苓叢课黄史州^密，壩身其余部分及地基剖分較稀疏；在計(jì)算中采用了局部非協(xié)調(diào)網(wǎng)格插值算法[5]，對(duì)粗密網(wǎng)格之間位移進(jìn)行了插值使其協(xié)調(diào)。

(a) 整體模型 (b) 壩體模型 (c) 表孔群模型

2.2 計(jì)算工況及參數(shù)

計(jì)算工況主要為以下6種：

工況1：正常蓄水位溫升(正常蓄水位水沙荷載+ 溫降+自重+弧門(mén)推力)。

工況2：正常蓄水位溫降(正常蓄水位水沙荷載+溫升+自重+弧門(mén)推力)。

工況3：僅開(kāi)1、3號(hào)表孔(正常蓄水位水沙荷載+溫升+自重+弧門(mén)推力)。

工況4：僅開(kāi)2號(hào)表孔(正常蓄水位水沙荷載+溫升+自重+弧門(mén)推力)。

工況5：檢修工況(正常蓄水位水沙荷載+溫降+自重+平板閘門(mén)推力)。

工況6：校核工況(校核洪水位水沙荷載+ 溫升+自重+弧門(mén)推力)。

其中：上游正常蓄水位2 094.00 m(相應(yīng)下游水位1 988.50 m)，上游校核洪水位2 099.91 m(相應(yīng)下游水位2 000.65 m)，上游淤沙高程2 016.36 m(淤沙浮容重5.0 kN/m3，內(nèi)摩擦角0°)。

工況1、2、6表孔、中孔弧門(mén)推力全部參與計(jì)算；工況1、2表孔弧門(mén)推力20 384 kN、中孔弧門(mén)推力41 160 kN；工況6弧門(mén)全開(kāi)，表孔弧門(mén)推力588 kN、中孔弧門(mén)推力637 kN；工況3不計(jì)1、3號(hào)表孔弧門(mén)推力；工況4不計(jì)2號(hào)表孔推力；工況5不計(jì)表孔推力，計(jì)入平板檢修閘門(mén)水荷載。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，壩體混凝土參數(shù)統(tǒng)一取值，壩體混凝彈模取22 GPa，重度24 kN·m-3，泊松比0.167，線脹系數(shù)1.0×10-5/℃，溫導(dǎo)系數(shù)3.0×10-3m2/h。

3 計(jì)算成果分析

3.1 不同工況應(yīng)力比較

根據(jù)各工況下拱壩整體模型計(jì)算結(jié)果，提取表孔群應(yīng)力結(jié)果對(duì)比分析，可以得出各工況下表孔應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，僅檢修工況略有不同。表 1列出各工況表孔群應(yīng)力最值情況(見(jiàn)表1)，工況1與工況5作用下孔口群主拉應(yīng)力如下所示(見(jiàn)圖2～圖3)。

圖2 工況1(弧門(mén)全關(guān))：表孔第一主應(yīng)力(單位：Pa)

圖3 工況5(檢修)：表孔第一主應(yīng)力(單位：Pa)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，工況1(溫降)對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力值最大，工況2(溫升)的主應(yīng)力值小于工況1(溫降)的主應(yīng)力值。工況3(僅開(kāi)1號(hào)、3號(hào)表孔)與工況4(僅開(kāi)2號(hào)表孔)應(yīng)力值有所減小，但2號(hào)孔兩側(cè)閘墩應(yīng)力有所增加。工況2中間閘墩主拉應(yīng)力為0.762 MPa，出現(xiàn)在3號(hào)孔右側(cè)閘墩與堰面接觸部位上側(cè)。工況3及工況4中間閘墩主拉應(yīng)力分別為0.794、0.786 MPa，位置與工況2相同。

結(jié)合表1可知，孔口打開(kāi)泄流，對(duì)兩側(cè)閘墩應(yīng)力有利，對(duì)中間閘墩不利，但應(yīng)力水平變化并不大。工況5平板門(mén)槽附近出現(xiàn)拉應(yīng)力，大小約為0.6 MPa，在門(mén)槽后方呈長(zhǎng)條形分布；此外，由于無(wú)弧門(mén)推力作用，靠近大梁處的閘墩部分應(yīng)力有所改善。工況6弧門(mén)推力小，但水位高，引起的拱壩變形大，導(dǎo)致最大拉應(yīng)力較工況2大。

表1 表孔群應(yīng)力最值 MPa

3.2 局部應(yīng)力分析

為清楚了解表孔各部分應(yīng)力分布情況，將表孔分為孔身段、大梁段與邊墩段進(jìn)行分析。

表孔孔身段溢流堰堰面出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力0.41 MPa，出現(xiàn)在工況2作用下1號(hào)孔口堰面上；且拉應(yīng)力范圍一直延伸到堰面以下10 m，其余兩孔堰面拉應(yīng)力略小于1號(hào)孔。圖4列出工況1作用下1號(hào)孔順?biāo)鞣较蚯忻鎽?yīng)力等值線圖(見(jiàn)圖4)。對(duì)大壩依次施加各種荷載發(fā)現(xiàn)，堰面拉應(yīng)力絕大部分由自重引起，堰面進(jìn)口與出口部分類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)，故在堰面上引起拉應(yīng)力。

圖4 工況1 順?biāo)鞣较蚯忻鎽?yīng)力等值線圖(單位：Pa)

表孔大梁拉應(yīng)力水平較小，僅在弧門(mén)推力作用面上側(cè)出現(xiàn)小范圍拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力0.25 MPa，各孔應(yīng)力大小基本一致，主要由弧門(mén)推力引起，弧門(mén)推力作用面位置則表現(xiàn)為壓應(yīng)力。

工況1作用下高程2 088.6 m水平切面等值線如圖所示(見(jiàn)圖5)，閘墩拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在外側(cè)閘墩與大梁結(jié)合部位附近，應(yīng)力成貝殼狀向外減小。工況1最大拉應(yīng)力為1.72 MPa，在3號(hào)孔邊墩與大梁結(jié)合處中間位置。

圖5 工況1 表孔切面等值線圖(單位：Pa)

根據(jù)計(jì)算過(guò)程荷載施加情況分析，拱壩變形是引起閘墩拉應(yīng)力大的主要原因，占65%左右；水推力作用引起拱壩拱端反推力，使得壩體有向中間靠攏的趨勢(shì)。由于表孔的存在，壩頂部位拱圈不再連續(xù)，盡管大梁起到一定的連接作用，但大梁剛度相對(duì)壩體來(lái)說(shuō)較小，不能阻止拱壩向中間變形。閘墩懸于壩體部分由于下部支撐形變較小，閘墩變形不再協(xié)調(diào)，故在兩側(cè)閘墩內(nèi)側(cè)處出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，其變形示意圖如下所示(見(jiàn)圖6)。閘墩拉應(yīng)力小部分原因是由于弧門(mén)推力及溫度荷載引起，在大梁與閘墩結(jié)合部位附近出現(xiàn)拉應(yīng)力，但引起的閘墩拉應(yīng)力不超過(guò)0.4 MPa。

圖6 閘墩變形示意

4 結(jié) 論

本文采用三維有限元的方法對(duì)某西南水電工程壩身表孔群進(jìn)行分析，得到表孔群范圍應(yīng)力狀態(tài)，研究不同工況組合下對(duì)表孔群應(yīng)力影響，主要結(jié)論及建議如下：

(1)對(duì)于拱壩表孔群，由于開(kāi)孔的影響，邊側(cè)閘墩中部靠近大梁位置拉應(yīng)力較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)配筋，中間閘墩應(yīng)力相對(duì)較小，配筋量可相應(yīng)減少。

(2)弧門(mén)推力引起的表孔閘墩拉應(yīng)力值不大，開(kāi)表孔減小了拱壩整體性，使得壩頂部位拱圈不再連續(xù)，造成閘墩應(yīng)力增大。

(3)表孔溢流面拉應(yīng)力值較小，但拉應(yīng)力區(qū)深度大，根據(jù)鋼筋混凝土規(guī)范，此處應(yīng)該進(jìn)行配筋，不可忽略。

(4)表孔弧門(mén)不同的啟閉方式對(duì)閘墩的應(yīng)力有一定影響，對(duì)稱開(kāi)啟部分表孔時(shí)，外側(cè)閘墩應(yīng)力減小，中間閘墩應(yīng)力相對(duì)增大，但整體應(yīng)力水平變化不大。

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