新疆某水利樞紐工程壩內廊道配筋的計算方法

周旭銳

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某水利樞紐工程位于新疆阿勒泰地區(qū)布爾津河流域，工程主要建筑物包括大壩、泄水建筑物、發(fā)電引水建筑物、水電站廠房、過魚設施，臨時建筑物包括施工圍堰和導流洞。工程等別為Ⅱ等大(Ⅱ)型，擋水建筑物為常態(tài)混凝土雙曲拱壩，最大壩高94.0 m。壩內布設基礎灌漿廊道、排水監(jiān)測廊道，并與兩岸灌漿平洞相接，組成一個完整的壩內外交通網絡。

2 壩內廊道布置

為滿足檢修、觀測、灌漿、排水和壩內交通等要求，需要在壩體內設置廊道。本工程壩體共設置3層水平縱向廊道，縱向廊道上游壁離上游壩面的距離，宜為0.05～0.1倍的壩面作用水頭，且不小于3 m。分別在560.0，595.0和620.0 m高程布設廊道，廊道斷面型式均為城門洞型，基礎灌漿廊道斷面尺寸均為3.0 m×4.0 m，中部和頂部廊道斷面尺寸為2.5 m×3.0 m，其中底部為基礎灌漿排水及監(jiān)測廊道，距上游壩面距離為8 m，中部和上部為排水、監(jiān)測廊道，兼顧交通，距上游面為6和4 m。壩體廊道在平面上沿拱圈呈折線布置，兩岸灌漿平洞的斷面型式與基礎灌漿廊道斷面型式相同，并通過電梯井、壩后橋、岸坡道路，解決壩體廊道及灌漿平洞間的相互交通。

基礎灌漿廊道全長256 m，595 m監(jiān)測廊道全長128 m，620 m監(jiān)測廊道全長243 m。見圖1。

圖1 某工程拱壩壩體廊道布置縱向剖視圖

3 廊道配筋常用計算方法

3.1 方法一：按彈性應力圖形配筋

3.1.1 計算方法

該方法為工程中常用的計算方法，首先由彈性理論計算得出結構在荷載作用下的拉應力圖形，再根據(jù)拉應力圖形面積計算配筋用量。計算方法如下：

1) 當截面的彈性應力圖形接近線性分布時，應換算為截面內力，可按桿件體系結構的配筋公式進行配筋及裂縫控制等的驗算。

2) 當截面的彈性應力圖形偏離線性分布較大時，可按拉應力圖形面積計算鋼筋用量，其計算公式如下：

T=Ab

Tc=Actb

式中：T為由荷載設計值(包含結構重要性系數(shù)γ0及設計狀況系數(shù)ψ在內)確定的彈性總拉力；A為按荷載設計值得出的彈性主拉應力圖形總面積；Tc為混凝土承擔的主拉力；Act為彈性應力圖形中主拉應力小于混凝土軸心抗拉強度設計值ft的圖形面積。

3.1.2 存在的問題及優(yōu)勢

1) 存在的問題。彈性拉應力圖形依據(jù)混凝土的允許應力人為地分割成混凝土承擔的部分、鋼筋承擔的部分。事實上，混凝土開裂、受拉鋼筋應力較大時，彈性應力圖形已不復存在，截面上將產生應力重分布，此時計算截面上總的拉應力為多少，混凝土和鋼筋各承擔多少，是很難確定的。

2) 優(yōu)勢。作為工程設計中常用的傳統(tǒng)設計方法，按彈性應力圖形配筋比較方便易行，可適用于各種形體復雜的結構。國內很多工程按照該方法對廊道進行配筋設計，實際的觀測值證明按此方法配筋是安全可靠的。

3.2 方法二：按有限單元法配筋

3.2.1 計算方法

1) 將結構離散為有限個單元，各單元僅在其節(jié)點處相互聯(lián)接。

2) 在單元中建立單元內部的位移模式，所選擇的位移形函數(shù)應能保證兩鄰接單元共同邊界位移的協(xié)調連續(xù)性，即要求能使這兩個單元既不重疊，又不出現(xiàn)空隙。

3) 將單元內各點應變用結點位移表示。

4) 選擇合適的材料應力-應變結構關系，將單元內各點的應力用應變表示。

5) 對單元加一虛位移。

6) 將結構的全部結點進行整體編號，集合所有單元的結點位移列陣和結點荷載列陣，分別形成整體位移列陣和整體荷載列陣，再將所有單元剛度矩陣進行集合，形成整體剛度矩陣，得出整個結構的平衡方程組。

7) 求解方程組，得出結點整體位移、單元的結點位移列陣、單元各點應變，最后求出各點應力。

3.2.2 存在的問題及優(yōu)勢

1) 存在的問題。采用該方法計算時，由于所取各種參數(shù)取值的不同，非線性程序處理手段的不同以及裂縫模擬模型的不同等等，往往會得出差異較大的計算結果。因此，所采用的鋼筋混凝土非線性有限元分析程序，必須經過試驗的考證。考證時，材料及荷載的各項參數(shù)應取實測值

2) 優(yōu)勢。該方法綜合考慮了混凝土的開裂以及非線性材性、鋼筋與混凝土之間的黏結、混凝土徐變等因素，對于大體積混凝土結構溫度配筋設計時需考慮混凝土裂縫開展寬度對溫度應力的影響時，有不可替代的優(yōu)點。

3.3 方法三：按斷裂力學原理配筋

3.3.1 計算方法

當混凝土承受拉應力時，將產生開裂阻抗，應力達到極限抗拉強度時，裂縫將擴展和延深。斷裂力學在計算廊道頂拱和底板的開裂深度后，通過計算裂縫尖端劈縫力所產生的應力強度因子，與混凝土的斷裂韌度相比較，判斷裂縫是否終止，綜合考慮該裂縫對主體工程的危害程度后，決定是否配筋。

3.3.2 存在的問題及現(xiàn)狀

1) 存在的問題。在斷裂力學計算的過程中，有很多未考慮的因素：混凝土的塑性影響；大壩施工期長，廊道所承受的荷載是緩慢施加的，使混凝土的應變能力遠大于快速拉伸值；廊道周圍混凝土施工先澆兩側并在拱頂處分層，底板留排水溝，這些對應力都有影響。

2) 現(xiàn)狀。 應用斷裂力學原理求解廊道的開裂與穩(wěn)定，并計算配筋，目前國內按照此原理計算廊道配筋的工程非常稀少，有些問題還處于摸索階段，可為廊道配筋提供一種思路。

4 本工程廊道配筋的計算方法

本工程位于高寒地區(qū)，筑壩條件十分惡劣，故壩體廊道配筋計算采用傳統(tǒng)算法，即按拉應力圖形面積的大小確定配筋量。由于壩內設置廊道將會引起壩內應力重新分配，進行廊道配筋設計時應該采用最不利工況控制確定。下面以基礎灌漿廊道為例，進行配筋計算。

4.1 最不利工況下壩體應力

壩體應力采用三維有限元方法分析計算，詳細計算不同受力工況下壩體應力的大小。計算中總共考慮了21種計算工況，具體不贅述。經過計算結果分析，考慮保溫、溢流表孔和泄洪深孔時，正常蓄水位+自重+泥沙+溫降+橫河向地震荷載+順河向地震荷載為最不利工況，即工況20。見表1。

表1 拱壩應力極值表

由三維有限元方法得出最不利工況下應力計算簡圖見圖2-圖5。

圖2 最不利工況下壩體上游面主拉應力S1等值線圖(MPa)

圖3 最不利工況下壩體上游面主壓應力S3等值線圖(MPa)

圖4 最不利工況下壩體下游面主拉應力S1等值線圖(MPa)

圖5 最不利工況下壩體下游面主壓應力S3等值線圖(MPa)

通過圖2、圖4可以看出，壩體右側562高程的拉應力集中區(qū)為基礎灌漿廊道的控制應力，該處廊道距離上游面為6～7 m，距離建基面最小距離為5 m，結合下游面拉應力綜合考慮，可知基礎灌漿廊道處最大拉應力為1.2 MPa。

4.2 拱壩廊道配筋計算結果

按彈性應力圖形配筋的計算方法，廊道配筋選擇每米5根直徑25螺紋鋼即可滿足要求。見圖6。

圖6 基礎灌漿廊道典型配筋圖

5 結 語

對于廊道配筋計算的研究，國內工程大多采用按彈性應力圖形配筋的方法，該方法是傳統(tǒng)的計算方法，可適用于各種形體復雜的結構。本工程廊道的配筋以壩體應力三維有限元計算結果為依據(jù)，進行配筋計算。工程運行多年后，廊道運行情況良好。