溪洛渡拱壩3號、4號導流底孔預應力閘墩三維有限元分析

2012-12-19 03:38:46張建海趙文光尹華安

水電站設計 2012年4期

馬杰，姚穎，周雪，張建海，趙文光，尹華安

(1. 四川大學水力學及山區河流開發與保護國家重點實驗室，四川成都 610065；中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 前言

溪洛渡水電站拱壩的孔口布置采用了在12號至19號壩段布置7個表孔和8個深孔，以及10個導流底孔的方案。

3號、4號導流底孔位于410m高程，洞身斷面5m×11m(寬×高)，出口設弧形閘門。出口閘墩最大懸臂長度約27.36m，閘墩最小厚度4.5m，閘墩外側以與孔軸線3°的偏移量過渡到壩面。支撐大梁尺寸選定為5.0m×6.0m×5.2m(寬×高×厚)，沿厚度方向以4.76°的角度向內側切角。懸臂結構施加預應力錨索，分主次錨索兩種。主錨索(3 000kN)沿推力方向(向外側旋轉1°)在閘墩內布置4排，由內往外首排距閘墩內側邊緣1.20m，間距依次為0.30m、0.40m、0.30m，為環形布置對拉錨索；次錨索(上游2 000kN，下游3 000kN)施加于支鉸大梁兩端，沿推力方向布置2排，靠上游側一排設置3根，靠下游側一排設置5根，為直線布置對拉錨索。具體布置見圖1和圖2。

2 研究目的及原理

2.1 研究目的

由于拱壩整體應力水平較高，尤其是導流底孔位于壩體底部，在高應力區開設孔口，孔口附近會產生明顯的應力集中或較高的拉應力，進而形成局部裂縫，對大壩的安全性造成不利影響[1]。導流底孔在封堵時，承受水頭達200m，應力較大。孔口過流時，受較低水溫的影響，溫度應力也較為突出[2]。另外3號、4號底孔由于運行要求，出口設弧門結構，閘墩懸挑長度近30m，結構受力復雜。鑒于工程的重要性及問題的復雜性，對溪洛渡拱壩導流底孔閘墩結構進行應力分析十分重要。

圖1 溪洛渡拱壩3號、4號導流底孔預應力閘墩剖面示意

圖2 大梁部位剖面

當弧門開度Kd=0，弧門擋水后受到的巨大的水推力要通過弧形閘門的支臂傳給弧門支承結構，其傳力路徑為：水壓力→弧門面板→弧門支臂→弧門支座→閘墩→壩體[3]。同時閘門的啟閉力、閘墩預應力和流道溫度荷載，最終均傳給壩體。因此閘墩和環形錨索附近壩體的應力狀態成為關注重點。

2.2 次錨索的模擬

3號、4號導流底孔預應力閘墩的次錨索為直線型對拉錨索，上游側錨索預應力為2 000kN，下游側的預應力為3 000kN。對次錨索施加預應力時采用等效荷載法[4]，將次錨索模擬為桿單元，在錨索兩端施加一對與預應力大小相等、方向相反且與錨索方向平行的集中力。這樣，通過預應力錨索在閘墩內部產生的預壓應力抵消了弧門推力產生的拉應力，使得最大拉應力降低到設計允許范圍之內[5]。

2.3 主錨索的模擬

3號、4號導流底孔預應力閘墩的主錨索為環形對拉錨索，預應力為3 000kN。與兩端固定的直線型錨索不同，環形錨索內側纏繞在圓環上。本次計算將錨索對固定環的壓力作用分解在若干個節點上，進行等效荷載移置。

如圖3所示的環形錨索，設錨固噸位為T，固定半環的半徑為r，則環段鋼索作用于半環的壓力P可如下計算：

dT=Psinθ·rdθ

(1)

(2)

圖3 環形錨索的等效計算

P=T/r

(3)

對于環錨的兩段直線部分，如圖3中的AB段和CD段，模擬方法與直線型錨索相同。

本次計算取dθ=30°。

3 計算模型(見圖4)

3.1 計算范圍

溪洛渡拱壩三維有限元計算范圍橫河向以拱壩中心線為界，左、右岸分別向山里延伸530m，共計1 060m；順河向以拱壩軸線為界，上游取170m，下游取540m，共計710m；鉛直向底面取至0m高程，頂部取至610m高程。計算域共離散為168 990個節點和158 439個單元，計算域各邊界切開面均取法向位移約束。有限元計算坐標系定義為：

X軸：橫河向，由右岸山里水平指向左岸，軸線方位N41.8°E；

Y軸：順河向，由下游水平指向上游，軸線方位N48.2°W；

Z軸：鉛直向上，由底面指向山頂。

圖4 溪洛渡拱壩三維有限元模型

3.2 計算參數

(1)自重：大壩混凝土容重取24kN/m3。

(2)靜水壓力：水重度取9.81kN/m3。

(3)溫度荷載：設計溫升及設計溫降的均勻溫度和線性溫度見表1。壩體混凝土線膨脹系數：1.0×10-5/℃。

(4)弧門推力：如圖5所示，弧門開度Kd=0時，弧門推力N=22 130kN，閘門啟閉力S1=250kN。

(5)3號～4號閘墩預應力：閘墩主預應力錨索為3 000kN，上游側3根次預應力錨索2 000kN，下游側5根次預應力錨索3 000kN。

(6)巖體及結構面力學參數：見表2。

表1 設計高程封拱溫度及溫度荷載 ℃

注：Tm表示均勻溫度；Td表示等效線性溫差。

表2 壩區各類巖體力學指標計算采用值

圖5 弧門推力和閘門啟閉力示意

3.3 計算工況

本次研究選取對閘墩結構最不利的下閘封堵期，此時1號、2號、5號、6號孔由平板門擋水，3號、4號孔由弧形門擋水，荷載組合N+S1均施加，壩體澆筑高程610m，上游水位465m，下游水位332m，溫度荷載只考慮流道過水，水溫帶來的溫降ΔT=-8℃(影響范圍12m)，閘墩預應力已施加。

3.4 剖面位置定義(見圖6)

圖6 3號、4號導流底孔剖面示意

4 計算結果及分析

由于3號、4號導流底孔對稱分布，故只需計算對稱結構的一半即可以反映出整個預應力閘墩的應力狀態。另外弧門推力的作用對深孔結構上游懸臂應力狀況的影響不大，但對深孔下游懸臂的應力有較大的影響[6]。故本文僅以3號孔為例分析出口閘墩段、環形錨索附近壩體以及支鉸大梁的應力狀態。

4.1 出口閘墩段應力分析

3號孔出口閘墩段剖面18、19主應力等值線如圖7、8所示。可見，弧門開度Kd=0時，閘墩大部分區域處于受壓狀態，壓應力極值為2.5MPa，出現在閘墩根部410m高程附近；在大梁附近區域出現應力集中，壓應力極值約為3.0MPa。在閘墩頂面中部有極值為0.6MPa的拉應力，流道出口底部拉應力極值約為1.0MPa，在靠近大梁部位出現小范圍拉應力區，極值約為1.2MPa。

4.2 環形錨索附近壩體應力分析

如圖7、8所示，流道溫降-8℃，施加弧門水推力時沿環形錨索區域外側剖面(剖面18)主壓應力極值為2.0MPa，位于流道出口415m高程處；主拉應力極值為1.4MPa，位于410m高程環形錨索外側。與外側剖面應力分布類似，內側剖面(剖面19)主壓應力極值為2.0MPa，位于出口415m高程處；主拉應力極值為1.4MPa，位于410m高程環形錨索附近。

4.3 支鉸大梁應力分析

由3號孔支鉸大梁剖面3(見圖9)主應力等值線圖可見，在支鉸作用處有明顯的應力集中，壓應力極值為5.0MPa，在大梁下游側出現了極值為1.1MPa的拉應力區。由剖面4(見圖10)主應力分布可以看出，閘墩部位預應力錨索附近區域局部應力集中，壓應力極值為2.2MPa，在閘墩大梁轉角處則出現極值為1.5MPa的拉應力集中。