燈泡貫流式水電站廠房流道結構計算探析

郭德昌/中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司

燈泡貫流式水電站廠房流道結構計算探析

郭德昌/中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司

本文通過對比分析闡述了燈泡貫流式水電站廠房下部流道結構計算方法及代表截面選取的原則，建議了結構與地基相互作用模型，通過工程實踐印證了方法的可行性及技術性。

流道結構；彈性地基；內力計算

前言

開發利用低水頭水力資源一般選擇貫流式水電站，燈泡貫流式機組是大中型貫流式水電站應用最廣泛的機組型式[1]。根據其廠房結構布置特點，其下部流道軸向貫通，順水向包括進口段、中段及尾水段；主要結構形式為大體積鋼筋混凝土結構，流道斷面較大。鋼筋混凝土結構設計相關規范要求根據結構內力進行截面配筋計算，因此如何科學、合理的選擇代表斷面顯得尤為突出；且結構與地基的相互作用如何模擬亦成為類似問題的關鍵。

1.典型部位的選取

1.1止水布置

文獻[2]中從節約工程投資角度推薦利用下游水壓進行抵消內水作用的布置方案。因廠房內部對防滲要求較高，為提高防水的保障性，建議上、下游豎向止水錨入基礎，底板上部增加水平向止水，與上、下游豎向止水有效搭接。

1.2計算假定

1.2.1流道結構差異較大，順水流向分進口段、中段及尾水管段，進口段和尾水管段各部位內力計算簡化為平面問題考慮，即沿順水流方向切出單位寬度為計算對象。進口段上部擋水墻厚度較大，結構剛度相對較大，簡化為倒置框架進行分析；尾水管段按彈性地基上的框架進行分析。

1.2.2結構構件材料為均質彈性體，計算時考慮節點剛性和剪切變形的影響。

1.3典型剖面的選取

廠房下部結構受力沿順水流方向存在幾個控制點或突變點，結構計算時斷面選取一般考慮下列因素：1.3.1底板上下游端部處于地基應力的兩個極值，可能控制底板配筋；

1.3.2止水前后位置閘墩內外可能承受的水壓力不同，可能控制閘墩、底板配筋；

1.3.3閘門前后位置不同工況可能承受的水壓力不同，可能控制底板配筋。

1.4計算工況及荷載

依據設計規范及實際條件進行確定。

2.結構與地基的相互作用

2.1彈性地基上框架結構的計算方法

結構與基礎間通過鏈桿進行聯接，本質思路是將連續支撐于基礎上的結構簡化為有限個鏈桿支撐于基礎上的梁，使無窮多次超靜定結構簡化為有限多次超靜定結構。隨著工程實際應用的發展，沈英武[3]結合結構力學和彈性地基梁計算，提出了“逐次漸近法”來計算彈性地基上框架結構內力。但不能考慮基礎與結構間的水平向剪力，傅作新[4]建議了一種雙鏈桿法，即模擬豎向和切向的作用，研究成果表明，考慮基底剪力的影響后，地基反力趨于均勻，結構受力結果的體現是使得結構負彎矩增加。而基巖的地基反力相對集中，故可不考慮基底剪力，設計結果偏于安全。

2.2地基模型的選取

廠房結構座落在基巖上，為“天然硬基”，故結構與地基的相互作用采用文克爾（Wiknelr）模型，基礎表面任一點的壓力與該點位移成正比，且兩者的相互作用為“單向”即只受壓。計算公式如下：

式中：F——地基反力；S——作用點位移；k——地基反力系數（依據地質資料進行等效）。

3.工程實踐

依照前述原則，對某燈泡貫流式廠房流道結構進行分析，具體如下。

表3-1 計算工況及荷載

3.2結構典型部位計算成果

根據上述計算原則及荷載進行計算，選擇尾水段流道底板和頂部計算成果為代表進行分析，相應成果見表3-2

表3-2 下部流道尾水段計算成果

由以上計算成果可見，結構斷面抗剪、裂縫均滿足規范[5]要求。綜合比較，內力值及結合斷面最小配筋要求，配筋較為合理。

4.結論

對燈泡貫流式水電站廠房下部流道計算可以采用“截條法”，依據本文原則選取合理的代表截面，按平面框架結構進行分析；選擇合適的彈性剛度系數，進而真實模擬地基與結構的相互作用，計算方法簡便、荷載明確、分析效率較高。在對大型廠房結構分析時，由于其空間形體及荷載分布相當復雜，平面分析無法體現結構間的相互作用，建議采用三維有限元進行結構受力分析。

參考文獻：

[1]橋鞏水電站分公司，河海大學《特大型燈泡貫流式水電站工程實踐》，中國水利水電出版社

[2]李守義等《燈泡貫流式水電站廠房水平止水布置研究》，水資源與水工程學報，第20卷，第1期，2009.2

[3]沈英武，彈性地基梁和框架分析文集 水利出版社 1980.1

[4]傅作新，基底剪力對基礎梁反力和內力的影響 上海水利1999.1

[5]《水工混凝土結構設計規范》DL/T5057-2009