某導流洞進口漸變段明洞結構三維應力及配筋分析

孫 斌，葛 瑤，張為法

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065;2.陜西省水利電力勘測設計研究院，西安 710001)

0 前 言

隨著中國水電事業的發展，水電工程逐漸向西南西北等高海拔地區轉移，其工程建設地的地質條件越來越復雜，加之近年來高壩大庫工程越來越多，導流洞斷面尺寸也隨之加大。若導流洞進口采用岸塔式進水塔且進洞段地質條件較差，進水塔后漸變段很難形成暗洞結構，需要將進水塔布置為明洞結構。本文以某水電站導流洞進水塔后漸變段明洞結構為例，針對漸變段明洞結構建立三維有限元模型進行敏感性分析計算[1-5]，計算出滿足設計要求的結構厚度，并對結構進行配筋設計[6-10]。

1 工程概況

該水電站采用隧洞導流，導流量Q30%=3 850 m3/s。隧洞標準斷面尺寸13.5 m×17.5 m(長×寬)。洞身段平面上設置2個彎道，上游彎道轉彎半徑R=480 m，轉角θ=59.76°，下游彎道轉彎半徑R=200 m，轉角θ=32.31°。導流洞進口底板高程為2 761.00 m，出口底板高程為2 755.00 m。

導流洞進口采用岸塔式進水塔，按2孔設計，孔口尺寸為6.75 m×17.5 m。進水塔后接漸變段，漸變段由矩形漸變為城門洞形，漸變段長28 m，漸變段后進洞。

2 計算模型、參數及工況

2.1 計算模型

建立以地基和漸變段作為整體結構的三維有限元仿真計算模型，模型的坐標原點取漸變段進口斷面豎直中心線與底部邊線的交點。X軸為流道方向，指向下游水流流向為正，Y軸為垂直水流向，指向左側為正；Z軸為鉛直向，豎直向上為正。計算模型采用solid 65六面體塊單元，基巖四周及漸變段結構進出口采用法相面約束，基巖底部采用三相固結面約束考慮[1-5]，漸變段模型見圖1。

圖1 漸變段模型網格圖

2.2 計算參數

本次計算所采用的物理力學參數見表1。

表1 混凝土及基巖物理力學參數表

2.3 計算工況及荷載

根據導流洞漸變段使用工況要求，本次計算對閘室結構在下閘封堵期工況(控制工況)進行了三維有限元計算，具體見表2。

表2 計算工況表

3 計算結果與分析

3.1 應力分析

本次主要對擬定不同襯砌厚度的漸變段明洞結構進行敏感性分析計算，擬定襯砌厚度分別為5 m、5.5 m和6 m，通過對其不同襯砌厚度的三維有限元計算[1-5]，可以得出漸變段結構受到外部荷載后的應力分布情況，其中拉應力為正，壓應力為負，單位為MPa。由于結構X向應力相對Y向和Z向很小，不控制結構整體安全性，故應力結果只針對Y向和Z向進行分析比較。

(1) 漸變段襯砌厚度為5 m

當漸變段襯砌結構在結構自重、最大外水壓力及浮托力的共同作用下，其Y向的最大拉應力小于C30混凝土的軸心抗拉強度設計值；Y向和Z向的最大壓應力大于C30混凝土的軸心抗壓強度設計值；Z向最大拉應力大于C30混凝土的軸心抗拉強度設計值，但可通過配筋解決拉應力產生的拉裂問題。Y向和Z向的正應力極值及發生部位見表3。

表3 襯砌厚度為5 m結構Y向和Z向正應力的極值及發生部位表

(2) 漸變段襯砌厚度為5.5 m

當漸變段襯砌結構在結構自重、最大外水壓力及浮托力的共同作用下，其Y向的最大拉應力小于C30混凝土的軸心抗拉強度設計值；Y向和Z向的最大壓應力大于C30混凝土的軸心抗壓強度設計值；Z向最大拉應力大于C30混凝土的軸心抗拉強度設計值，但可通過配筋解決拉應力產生的拉裂問題。Y向和Z向的正應力極值及發生部位見表4。

表4 襯砌厚度為5.5 m結構Y向和Z向正應力的極值及發生部位表

(3) 漸變段襯砌厚度為6 m

當漸變段襯砌結構在結構自重、最大外水壓力及浮托力的共同作用下，其Y向的最大拉應力和最大壓應力、Z向最大壓應力均小于C30混凝土的軸心抗拉和軸心抗壓強度設計值；Z向的最大拉應力大于C30混凝土的軸心抗拉強度設計值，但可通過配筋解決拉應力產生的拉裂問題。Y向和Z向的正應力極值及發生部位見表5。

表5襯砌厚度為6 m結構Y向和Z向正應力的極值及發生部位表

(4) 結果分析

通過對漸變段明洞結構不同襯砌厚度的計算分析，結果表明：漸變段結構的襯砌厚度為6 m時，結構產生的最大壓應力滿足混凝土的抗壓強度要求，其豎直方向(Z向)產生的最大拉應力值為2.201 MPa，雖然大于C30混凝土的軸心抗拉強度，但可通過配筋解決拉應力產生的拉裂問題。因此漸變段為明洞結構，其襯砌厚度為6 m時，結構整體受力滿足結構安全要求。具體應力分析對比見表6。

表6 漸變段為明洞結構壓應力分析對比表

3.2 配筋計算

按DL/T5057—2009《水工混凝土結構設計規范》附錄D中D.3和D.4的相關規定從襯砌厚度為6 m的漸變段明洞結構Y向和Z向應力分布情況可以看出，只需對邊墻按彈性應力圖形法進行配筋[6-10]，同時按最低限度的受拉鋼筋配筋(P122，公式12.5.2)及最小配筋率進行復核，底邊按最低限度的受拉鋼筋配筋及最小配筋率控制配筋，頂板按最小配筋率控制配筋[2]。

(1) 邊墻配筋

1-1斷面、2-2斷面和3-3斷面邊墻豎向鋼筋按彈性應力圖形法配筋、最低限度的受拉鋼筋配筋及最小配筋率配筋，計算結果見表7[6-10]。

表7 漸變段結構邊墻豎向鋼筋配筋結果表

從表7可以得出，漸變段結構邊墻豎向鋼筋受最低限度的受拉鋼筋配筋控制，其單位長度內配筋面積18 884.26 mm2。

(2) 頂板配筋

1-1斷面、2-2斷面和3-3斷面頂板水平向鋼筋按最小配筋率配筋，計算結果見表8[1]。

從表8可知,漸變段結構頂板水平向鋼筋受最小配筋率控制，其單位長度內配筋面積8 850 mm2。

(3) 底板配筋

1-1斷面、2-2斷面和3-3斷面底板水平向鋼筋按最低限度的受拉鋼筋配筋及最小配筋率配筋，計算結果見表9[1]。

表8 漸變段結構頂板水平鋼筋配筋結果表

表9 漸變段結構底板水平鋼筋配筋結果表

從表9可以得出，漸變段結構底板水平向鋼筋受最低限度的受拉鋼筋配筋控制，其單位長度內配筋面積17 818.75 mm2。

(4) 小 結

從邊墻、頂板和底板的配筋結果可以得出：漸變段結構底板單位長度的水平鋼筋配筋面積為17 818.75 mm2，相應的配筋量為2×5?36@20+2×5?32@20；邊墻單位長度的豎向鋼筋配筋面積為18 884.26 mm2，相應的配筋量為4×5?36@20；頂板單位長度的豎向鋼筋配筋面積為8 850 mm2，相應的配筋量為2×5?36@20。

4 結 語

本文通過三維有限元對漸變段明洞結構進行敏感性分析計算，通過計算結果確定在154 m水頭作用下，襯砌厚度為6 m的漸變段明洞結構可滿足設計要求，并對其進行配筋計算。