某重力壩復雜廊道系統三維有限元結構配筋計算

楊磊 倪紹虎

摘要：基于大型通用有限元軟件ANSYS強大的前處理功能，建立某重力壩復雜廊道系統三維有限元模型，模擬計算各工況下大壩位移及應力響應。選取廊道環向應力極致所處斷面，根據配筋計算“應力圖形法”，對環向應力極致所處斷面進行三維插值、應力積分，并運用規范方法計算各廊道的配筋參數。計算成果表明，上述計算方法理論成熟，計算成果可用于大體積混凝土的結構配筋。

關鍵詞：復雜廊道系統;有限元單元法;應力圖形法;三維插值;應力積分

1前言

1.1問題的提出

水工大體積混凝土中，從結構功能運用角度出發，不可避免的需要在大體積混凝土內部布設孔洞，如大壩電梯井、壩身泄洪孔、廊道系統等[1];孔洞的設置勢必引起大體積混凝土產生局部應力集中現象，存在引發混凝土開裂的風險。為科學、經濟地對水工大體積混凝土中孔洞進行加固配筋，需有一種科學的計算分析方法。

對于重力壩而言，由于其各自壩段獨立工作的特性，可選擇復雜廊道所處壩段進行建模計算[2]。對于拱壩工程所對應的下游二道壩結構，其壩身孔洞布置往往很復雜，從結構功能角度出發，其壩身布置有順河向的排水連接廊道、閥室等，橫河向的集水廊道、檢修泵房、灌排廊道等，順河向廊道與橫河向廊道存在互通、交叉，這更加劇了廊道周邊混凝土應力的復雜性，三維有限元計算則是重要的計算分析手段

1.2工程簡介

某水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內，距巧家縣城45km，上接烏東德梯級，下鄰溪洛渡梯級，電站裝機容量16000MW。樞紐由攔河壩、泄洪消能設施、引水發電系統等主要建筑物組成。工程為一等大（Ⅰ）型工程，擋水、泄水、引水發電等主要建筑物按1級建筑物設計，消能防沖建筑物按2級建筑物設計。

二道壩采用重力式混凝土壩，表面2m范圍采用C9040混凝土、內部采用C18030混凝土，壩頂寬度為8m，上游坡為1∶0.6，下游坡為1∶0.8。二道壩內設灌漿廊道、排水廊道，并與水墊塘排水廊道相通，組成水墊塘和二道壩統一的排水系統，通過集水廊道連接到岸邊山體內的集水井，并設專用水泵抽排。

二道壩按2級建筑物設計，結構安全級別為II級，按百年一遇洪水設計，千年一遇洪水校核，其廊道結構相對復雜的。本文選取二道壩7#壩段作為計算分析對象，7#壩段中布置有順河向的EP4排水廊道、閥室，橫河向的閥室連接廊道、EP1灌排廊道、檢修泵房、右岸集水廊道，7#壩段的典型剖面圖間圖1，廊道三維布置圖見圖2。

2有限元模型建立與網格劃分

2.1計算模型

采用三維有限單元法對二道壩7#壩段壩體及廊道進行計算，壩體、廊道結構及三維有限元模型見圖3～4。

計算中整體坐標系為：順河向為X軸，指向下游為正;橫河向為Z軸，指向左岸為正;豎直向上為Y軸。

2.2材料參數

壩體混凝土C18030、C9040

容重c=24kN/m3，彈性模量Ec=24GPa，泊松比v=0.167。

基巖

不考慮基巖自重，彈性模量Ec=10Gpa，泊松比v=0.24。

2.3計算工況、荷載及邊界條件

根據水墊塘的運行方式及二道壩的結構受力特性，擬定其較為危險的工況，工況列表見表1，各工況對應的上下游水位列于下表2。

3計算成果分析

3.1應力結果及分析

廊道周邊應力峰值結果見表3～6，典型應力分布見圖5～8。所有應力均為廊道局部坐標系下的應力成果。從應力成果可以看出：

工況1中，右岸集水廊道尺寸相對較小，第1主應力最大值為0.51Mpa，出現在靠6#橫縫的頂拱部位;排水廊道EP4橫河向（底板環向應力）最大應力為0.48Mpa，出現在爬坡廊道與水平廊道結合部位（靠上游側）;檢修泵房順河向（底板環向應力）最大應力值為0.46Mpa，底板中心部位;灌排廊道EP1順河向（底板環向應力）最大應力值為0.50Mpa，靠3#橫縫的底板中心部位;閥室及閥室連接廊道所處高程為581.12m，所處高程較大，應力狀態較小，自重作用下最大第1主應力未超過0.15Mpa。在自重的作用下，上部的廊道應力小，下部的廊道應力較大，但應力峰值均未超過混凝土抗拉、抗壓強度。

工況2中，右岸集水廊道尺寸相對較小，第1主應力最大值為0.36Mpa，出現在靠6#橫縫的底板;排水廊道EP4橫河向（底板環向應力）最大應力為0.78Mpa，出現在爬坡廊道與水平廊道結合部位（靠上游側）;檢修泵房橫河向（靠上游側邊墻）最大應力值為0.53Mpa;灌排廊道EP1橫河向（靠上游側邊墻）最大應力值為0.48Mpa，出現在與排水廊道EP4交界頂拱部位;閥室及閥室連接廊道所處高程為581.12m，所處高程較高，應力狀態較小，最大第1主應力未超過0.25Mpa。相比工況1，排水廊道EP4周邊混凝土橫河向應力有所增長，但其周邊混凝土拉、壓應力小于混凝土的抗拉、抗壓強度。

工況3中，右岸集水廊道第1主應力最大值為0.61Mpa，出現在靠6#橫縫的頂拱中心部位;排水廊道EP4橫河向（底板環向應力）最大應力為0.60Mpa，出現在廊道與上游壩面交界部位頂拱處;檢修泵房橫河向（靠上游側邊墻）最大應力值為0.49Mpa;排水廊道EP1橫河向（靠上游側邊墻）最大應力值為0.28Mpa，出現在與排水廊道EP4交界頂拱部位;閥室及閥室連接廊道所處高程為581.12m，所處高程較大，應力狀態較小，最大第1主應力未超過0.20Mpa。

工況4中，受地震加速度作用，廊道周邊混凝土應力水平有所提升。左岸集水廊道第1主應力最大值為0.93Mpa，出現在靠6#橫縫的底板;排水廊道EP4橫河向（底板環向應力）最大應力為0.87Mpa，出現在爬坡廊道與水平廊道結合部位（靠上游側）;檢修泵房橫河向（靠上游側邊墻）最大應力值為0.76Mpa;

排水廊道EP1順河向（爬坡廊道與水平廊道交界部位、底板環向應力）最大應力值為0.93Mpa，最大第1主應力1.55 Mpa，靠7#橫縫的頂拱部位;閥室連接廊道在地震作用下，上游側邊墻最大環向應力為0.95Mpa。

高程部位廊道閥室、閥室連接廊道及排水廊道EP1高程570m段應力較其他工況增加明顯，這是高高程部位廊道動反應比較強烈造成的;應當指出，由于靜動力成果疊加使用了各振型成果的平方和，因此靜動力疊加后各向應力的方向性僅供參考。

綜上，廊道周邊混凝土拉、壓應力小于混凝土的抗拉、抗壓強度。

3.2配筋計算結果

3.2.1構造配筋

綜合各工況的應力結果來看， 7#壩段除灌排廊道EP1外各廊道的應力均遠小于混凝土抗拉強度（C18030：1.43Mpa），可按構造要求配筋。參考同類工程廊道配筋成果，7#壩段除灌排廊道EP1外各廊道配筋成果見表7。

3.2.2結構配筋

根據應力成果，提取7#壩段EP1灌排廊道底板截面的橫河向應力進行配筋計算，計算結果見表8，由表可見考慮混凝土承受動拉應力EP1灌排廊道底板截面需配置1958mm2鋼筋，不考慮混凝土承受動拉應力EP1灌排廊道底板截面需配置2388mm2鋼筋，鑒于EP1灌排廊道河床高程低兩岸高程高，參考閥室及閥室連接廊道的計算成果，廊道高程越高動反應越強烈，岸坡壩段的EP1灌排廊道動拉應力亦可能超過現計算的7#壩段EP1灌排廊道動拉應力水平，因此配筋參數擬定為環向受力筋1層C32@200、構造筋C28@200，保證一定的安全裕度。

4結論

二道壩7#壩段所有工況廊道周邊最大第1主應力為1.55Mpa，最大壓應力-4.41Mpa，最大第一主應力超過混凝土抗拉強度，壓應力未超過混凝土抗壓。

7#壩段除灌排廊道EP1外各廊道的應力均遠小于混凝土抗拉強度（C18030：1.43Mpa），可按構造要求進行配筋。參考錦屏水電站二道壩廊道配筋情況，并考慮一定安全裕度， EP4排水廊道構造配筋參數為環向受力筋1層C28@200、構造筋C25@200;檢修泵房在混凝土內部較大，配筋參數為1層C32@200、構造筋C28@200;閥室及閥室連接廊道所處高程較高，地震反應較其他廊道強，考慮閥室尺寸（13.0m×4.0m×4.0m）較大，配筋參數為1層C32@200、構造筋C28@200。

根據應力成果，提取7#壩段EP1灌排廊道底板截面的橫河向應力進行配筋計算，鑒于EP1灌排廊道河床高程低兩岸高程高，參考閥室及閥室連接廊道的計算成果，廊道高程越高動反應越強烈，岸坡壩段的EP1灌排廊道動拉應力亦可能超過現計算的7#壩段EP1灌排廊道動拉應力水平，因此配筋參數擬定為環向受力筋1層C32@200、構造筋C28@200，保證一定的安全裕度。

參考文獻

[1]張元澤，黃志澎，牟高翔，潘艷芳.大崗山拱壩廊道三維靜力線彈性有限元分析及配筋方法研究[J]. 水電站設計，2014，30（2）：13-16.

[2] 潘家錚.重力壩設計[M＼].北京：水利電力出版社，1987：3-10.