某導流洞閘室門槽結(jié)構(gòu)截面承載力分析

孫 斌,彭睿哲,賀智安

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)05—0036—03

某導流洞閘室門槽結(jié)構(gòu)截面承載力分析

孫 斌,彭睿哲,賀智安

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

隨著平板閘門擋水水頭的增加，閘門門槽受力越來越大，但是門槽的斜截面承載力計算規(guī)范中并未給出具體的計算方法，致使工程設計缺乏依據(jù)。以某水電站導流洞閘室門槽為例，首先采用ANSYS軟件對閘門門槽結(jié)構(gòu)進行了應力計算，其次對門槽的局部受壓及斜截面承載力進行計算，通過計算得出閘門門槽結(jié)構(gòu)滿足設計要求。

平板閘門；門槽；有限元法模擬；局部受壓；斜截面承載力

0 前 言

隨著中國水利水電事業(yè)的發(fā)展，大壩的高度也相繼增加，平板閘門門槽受力也越來越大，中國電力行業(yè)標準DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中第13.15章節(jié)規(guī)定了平面閘門門槽結(jié)構(gòu)計算的要求，但是其中13.15.2條規(guī)定“閘門門槽高度每延米受載大于2 000 kN時，應對閘門門槽混凝土斜截面承載力進行復核”，但是沒有提到具體的復核計算方法及公式，因此對于設計者進行門槽結(jié)構(gòu)設計時無設計依據(jù)可言。本文以某水電站導流洞閘室結(jié)構(gòu)為例，針對門槽結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型進行計算，并且重點對其斜截面承載力復核進行了分析計算。

1 工程概況

該水電站采用隧洞導流，導流量Q10%=3 470 m3/s。隧洞長度1 196.89 m，標準斷面尺寸13 m×17 m(長×寬)，最大開挖斷面尺寸23 m×23.5 m(長×寬)，其中閘室段最大開挖寬度為23.5 m。閘門采用豎井式閘門井，閘門井門槽中心線位于導流洞樁號導0+450.00 m處，閘門豎井開挖高度約50.25 m，閘室結(jié)構(gòu)尺寸：長×寬×高=67.5 m×23.0 m×73.75 m，圍巖類別為Ⅳ和Ⅲ2類，閘室結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。

圖1 閘室水平截面圖 單位：cm；樁號，m

2 計算模型、參數(shù)及工況

2.1 計算模型

建立以地基、閘室和豎井作為整體結(jié)構(gòu)的三維有限元仿真計算模型，模型的坐標原點取導流洞中心線鉛直面、導0+450.00 m樁號鉛直面以及2 598.75 m高程水平面的三平面交點。X軸為順流向，其正向指向下游，Y軸為垂直水流向，指向左側(cè)(面向下游)為正；Z軸沿鉛垂向，向上為正。計算模型絕大部分采用solid 65六面體塊單元，局部采用四面體三棱柱單元過渡，閘室地基四周采用法相約束，底面采用三相約束，閘室整體和門槽附件網(wǎng)格見圖2和3。

圖2 閘室結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

2.2 計算參數(shù)

本次計算所采用的物理力學參數(shù)見表1。

表1 混凝土及基巖物理力學參數(shù)表

2.3 計算工況及荷載

根據(jù)導流洞閘室使用工況要求，本次計算對閘室結(jié)構(gòu)在下閘封堵期工況(控制工況)進行了三維有限元計算，具體見表2。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 應力分析

當閘門受到水壓力作用時，閘門將水壓力傳遞到兩側(cè)門槽上，因此了解閘門門槽結(jié)構(gòu)受力后應力分布情況很重要，本次主要對閘室門槽結(jié)構(gòu)及底部截面進行應力分析，3個方向的正應力極值及發(fā)生部位見表3。

表2 計算工況表

表3 門槽正應力的極值及發(fā)生部位表

圖3 閘室門槽附件網(wǎng)格圖

3.2 門槽結(jié)構(gòu)局部受壓承載力計算

(1) 按照DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中第13.15章節(jié)規(guī)定首先應該按8.4章節(jié)規(guī)定對門槽二期混凝土進行局部受壓承載力的驗算，本次計算取門槽底部單位高度作為研究對象，計算結(jié)果如下：

F1=γQF=4128.08 kN

=6140.33 kN

式中：F1為局部受壓面上作用的局部荷載或者局部壓力設計值,kN；Al為局部受壓面積,m2；γd為素混凝土結(jié)構(gòu)受壓破壞的結(jié)構(gòu)系數(shù)，取γd=1.3；ω為荷載分布的影響系數(shù)，取ω=1；βl為混凝土局部受壓時強度提高系數(shù)；Ab為混凝土局部受壓時的計算底面積,m2;可根據(jù)局部受壓面積與計算底面積同心對稱的原則確定。

(2) 從圖3和表3中可以看出門槽下游側(cè)混凝土承受的X向(順水流方向)最大壓應力為4.614 MPa，小于C30混凝土軸心抗壓強度設計值14.3 MPa，因此門槽二期混凝土局部受壓承載力也滿足要求。

3.3 門槽結(jié)構(gòu)斜截面承載力計算

針對門槽結(jié)構(gòu)的斜截面承載力復核計算，目前在DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中無法找到具體的計算方法和公式，因此本文采用目前工程實踐中使用較廣泛的承載能力極限狀態(tài)法對門槽結(jié)構(gòu)斜截面承載力進行復核計算。

根據(jù)DL 5108—1999《混凝土重力壩設計規(guī)范》9.3.5條所列公式進行斜截面承載力計算時，按二期混凝土可能開裂滑動的最大角度進行計算(本工程θmax=60°)，計算簡圖見圖4所示。

圖4 門槽混凝土斜截面承載力計算簡圖

通過計算得出：

γ0φ∑Pc=0.90×0.95×3574.92

=3056.56 kN

=3608.04 kN

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，可取γ0=0.9；φ為設計狀況系數(shù)，對應于持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，應分別取為1.0、0.95及0.85； ∑Pc為由荷載設計值在計算截面上產(chǎn)生的切向分力之和，kN；∑Pc=Flcosθ-Nlsinθ；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，γd=1.2；fc′為計算截面混凝土抗剪斷摩擦系數(shù)，fc′值取1.1；cc′為計算截面混凝土抗剪斷凝聚力； ∑Wc為由荷載設計值在計算截面上產(chǎn)生的法向分力之和，kN，∑Wc=Flcosθ-Nlsinθ;Ac為門槽1 m高度的斜截面AB的計算截面面積，m2;θ為AB與EB面的夾角；Fl為閘門每側(cè)沿門槽高度1 m作用于導軌上的法向壓力標準值，kN;Nl為閘門每側(cè)沿門槽高度1 m作用于導軌上的切向壓力標值，本工程門槽沒有切向壓力作用，kN。

通過閘室門槽結(jié)構(gòu)的應力云圖結(jié)果可以看出：門槽二期混凝土下游側(cè)承受閘門傳遞的水推力，此部位X向(順水流方向)正應力主要為壓應力；二期混凝土下游側(cè)受壓使門槽內(nèi)側(cè)混凝土產(chǎn)生X向(順水流方向)的拉應力。

4 結(jié) 語

本文通過三維有限元計算了閘室門槽結(jié)構(gòu)應力，并用壓應力復核了結(jié)構(gòu)局部承壓力，同時還用工程常用的簡易方法分析了門槽結(jié)構(gòu)斜截面承載力，通過計算得出的閘門門槽結(jié)構(gòu)滿足設計要求。

[1] DL/T5057-2009,水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2009.

[2] DL 5108-1999,混凝土重力壩設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2000.

[3] 李圍.ANSYS土木應用實例[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2005.

[4] 李傳才.水工混凝土結(jié)構(gòu)[M].武漢：武漢大學出版社，2001.

[5] 吳松峰.閘門門槽受剪切性能試驗研究[D].鄭州：鄭州大學，2009：1-7.

Analysis on Bearing Capacity of Slot Structural Section of Gate Chamber of Diversion Tunnel

SUN Bin, PENG Rui-zhe, HE Zhi-an

(POWERCHINA Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065, China)

With increase of water head to be retained by flat gate, action on the gate slot increases accordingly. But the specific calculation method for the bearing capacity of the inclined section of the gate slot is not available in the code so that no basis on the engineering design can be relied one. With the case of gate slot of the gate chamber of one diversion tunnel, the stress of the gate structure is calculated by application of ANSYS software. Then, the local pressure of the gate slot and the bearing capacity of the inclined section are calculated respectively. These calculations prove the structure of the gate slot satisfy design requirements. Key words:flat gate; gate slot; finite element simulation; locally pressed; bearing capacity of inclined section

2015-07-23

孫斌(1985- )，男，陜西省三原縣人，助理工程師，主要從事水利水電工程施工組織設計工作.

TV663.1；TV672.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.010