尾水調(diào)壓室底部鋼筋混凝土岔管三維有限元結(jié)構(gòu)分析

任天衛(wèi)，章 亮，王維娜，徐三敏

（1.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市 100024；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

0 引言

在水電行業(yè)的設(shè)計(jì)工作中，混凝土岔管結(jié)構(gòu)是大型電站較為常見的結(jié)構(gòu)形式，也是重要的結(jié)構(gòu)之一。本文所提的混凝土岔管結(jié)構(gòu)布置在長(zhǎng)廊阻抗式調(diào)壓室底部，分岔管上還布置有閘門槽用以控制水流，該結(jié)構(gòu)體型較為復(fù)雜，主管與岔管之間應(yīng)力結(jié)果相互影響。本文利用有限元計(jì)算軟件ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和計(jì)算，得出尾水混凝土岔管的應(yīng)力結(jié)果，根據(jù)DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行配筋和裂縫驗(yàn)算。驗(yàn)證表明，計(jì)算結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)律，合理可靠，該方法對(duì)于以后類似的結(jié)構(gòu)計(jì)算有一定的借鑒意義。

1 工程概況

大華橋水電站位于云南省怒江州蘭坪縣兔峨鄉(xiāng)境內(nèi)，是下游梯級(jí)苗尾水電站采用低壩方案時(shí)的銜接梯級(jí)，上游回水至黃登水電站，是規(guī)劃河段推薦開發(fā)方案的第七級(jí)電站。大華橋水電站為堤壩式開發(fā)，壩址左岸有縣鄉(xiāng)級(jí)公路通過，距蘭坪縣城77km。壩址控制流域面積9.26萬(wàn)km2，多年平均流量910m3/s。

大華橋水電站工程以發(fā)電為主，選擇碾壓混凝土重力壩和左岸地下廠房的樞紐布置方案，電站為首部開發(fā)，引水系統(tǒng)采用“一管一機(jī)”的布置型式，尾水系統(tǒng)采用“兩機(jī)一洞一室”的布置型式。主要建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)組成。水庫(kù)總庫(kù)容2.93億m3，正常蓄水位以下庫(kù)容2.62億m3，電站裝機(jī)容量920MW。根據(jù)DL 5180—2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，確定本工程為二等大（2）型工程；擋水、泄水、引水發(fā)電系統(tǒng)等永久性主要建筑物為2級(jí)建筑物，永久性次要建筑物為3級(jí)建筑物，臨時(shí)建筑物為4級(jí)建筑物。混凝土岔管為2級(jí)建筑物，結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅱ級(jí)。

尾水混凝土岔管結(jié)構(gòu)位于尾水調(diào)壓室下方，該岔管結(jié)構(gòu)長(zhǎng)23m，從上游往下游方向由兩管變一管，分岔上游斷面尺寸為10.8m×15.7m，分岔下游斷面尺寸為14m×15.7m，邊墻底板厚均為2m，具體斷面形式如圖1和圖2所示。

2 尾水混凝土岔管計(jì)算模型

2.1 計(jì)算參數(shù)

1號(hào)尾水混凝土岔管處圍巖類別為Ⅲ2類，2號(hào)混凝土岔管處圍巖類別為Ⅳ類，襯砌混凝土標(biāo)號(hào)為C25。材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters

圖1 混凝土岔管平面布置圖（單位：mm）Figure 1 Layout of reinforced concrete bifurcation （unit：mm）

圖2 混凝土岔管橫剖面圖（單位：mm）Figure 2 Cross-sections of reinforced concrete bifurcation（unit：mm）

關(guān)于尾水調(diào)壓室最高涌浪水位及最大壓差值，參照《大華橋水電站過渡過程計(jì)算報(bào)告》中提取的值。其中為了計(jì)算偏于安全考慮，計(jì)算最大壓差時(shí)的水位也取相應(yīng)工況的最大值，最大最小壓差及涌浪水位見表2。

表2 計(jì)算工況各水位取值Table 2 Water level values under calculation conditions

2.2 計(jì)算模型

計(jì)算采用三維模型進(jìn)行模擬，建立主管、岔管、支管及外覆巖體共存的整體模型進(jìn)行模擬計(jì)算，只有混凝土、圍巖兩種材料，對(duì)模型分別按照兩種材料劃分網(wǎng)格，模型共劃分121734個(gè)單元、133627個(gè)節(jié)點(diǎn)。坐標(biāo)說明，計(jì)算采用笛卡爾坐標(biāo)系，xz平面為混凝土岔管橫剖面，其中x向?yàn)椴砉軝M剖面寬度方向，z向?yàn)槠拭娓叨确较颍瑈向?yàn)椴砉茌S線方向，垂直于xz平面。具體網(wǎng)格劃分見圖3和圖4。

2.3 計(jì)算工況

對(duì)于地下岔管結(jié)構(gòu)，根據(jù)DL/T 5195—2004《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄I，結(jié)合岔管上方調(diào)壓室實(shí)際工作情況，對(duì)于承載能力極限狀態(tài)需對(duì)持久狀況、短暫工況分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于正常使用極限狀態(tài)按持久狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)，以最不利荷載組合作為計(jì)算工況荷載條件進(jìn)行計(jì)算。

圖3 結(jié)構(gòu)整體網(wǎng)格模型Figure 3 Global grid model of structure

圖4 混凝土岔管網(wǎng)格模型Figure 4 Grid model of concrete bifurcation

承載能力計(jì)算工況如下：

工況一荷載組合（上壓差工況）：地應(yīng)力+襯砌結(jié)構(gòu)自重+內(nèi)水壓力（涌浪水位+上壓差）。

工況二荷載組合（下壓差工況）：地應(yīng)力+襯砌結(jié)構(gòu)自重+外水壓力（涌浪水位+下壓差）。

工況三荷載組合（放空檢修）：地應(yīng)力+襯砌結(jié)構(gòu)自重+外水壓力。

正常使用極限狀態(tài)工況如下：

工況一荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合（上壓差工況）：地應(yīng)力+襯砌結(jié)構(gòu)自重+內(nèi)水壓力（涌浪水位+上壓差）。

2.4 計(jì)算荷載

根據(jù)工程實(shí)際需求，計(jì)算中考慮的荷載包括襯砌自重、內(nèi)水壓力、外水壓力、圍巖壓力[1-4]。

（1）襯砌自重：C25混凝土容重25 kN/m3。

（2）內(nèi)水壓力、外水壓力：上壓差工況涌浪水頭為61.5m，疊加上壓差內(nèi)水水頭為66.4m，下壓差工況涌浪水頭為30.8m，疊加下壓差內(nèi)水水頭為24.3m，外水水頭為23.9m。

（3）圍巖壓力：按照規(guī)范DL 5077—1997《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于圍巖壓力的規(guī)定選取，對(duì)結(jié)構(gòu)所受各荷載組合見表3。

表3 荷載組合Table3 Load combination

3 有限元分析

依據(jù)上述模型及荷載，將荷載施加到混凝土岔管的模型上，利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算，將會(huì)得出各個(gè)工況下岔管的應(yīng)力結(jié)果，結(jié)構(gòu)整體模型應(yīng)力部分結(jié)果如圖5～圖10所示[5，6]。

圖5 工況一 SX應(yīng)力云圖（Ⅲ2類圍巖）（單位：N/m2）Figure 5 SX stress nephogram under condition I（Ⅲ 2）（unit：N/ m2）

圖6 工況二SX應(yīng)力云圖（Ⅲ2類圍巖）（單位：N/m2）Figure 6 SX stress nephogram under condition II（Ⅲ 2）（unit：N/ m2）

圖7 工況三 SX應(yīng)力云圖（Ⅲ2類圍巖）（單位：N/m2）Figure 7 SX stress nephogram under condition III（Ⅲ 2）（unit：N/ m2）

圖8 工況一SX應(yīng)力云圖（Ⅳ類圍巖）（單位：N/m2）Figure 8 Figure 5 SX stress nephogram under condition I （Ⅳ）（unit：N/ m2）

圖9 工況二 SX應(yīng)力云圖（Ⅳ類圍巖）（單位：N/m2）Figure 9 SX stress nephogram under condition II （Ⅳ）（unit：N/ m2）

圖10 工況三 SX應(yīng)力云圖（Ⅳ類圍巖）（單位：N/m2）Figure 10 SX stress nephogram under condition III （Ⅳ）（unit：N/ m2）

以上選取了三種不同工況，兩種圍巖類別的情況下，x向應(yīng)力的結(jié)果，通過以上應(yīng)力結(jié)果云圖可以看出，三種工況中，上壓工況下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平值最高，下壓工況及檢修工況，應(yīng)力值水平遠(yuǎn)低于混凝土自身的承載能力，所以不再對(duì)下壓工況及檢修工況進(jìn)行下一步的應(yīng)力配筋計(jì)算，選擇正常運(yùn)行工況的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)一步分析，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算。另外通過對(duì)比不同圍巖類別的應(yīng)力結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)隨著圍巖類別的變差，整體應(yīng)力水平升高，此點(diǎn)符合客觀規(guī)律。

上壓工況下，Ⅲ2類圍巖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖如圖11～圖16所示。

圖11 整體襯砌SX應(yīng)力圖（單位：N/m2）Figure 11 SX stress nephogram of Integral lining（unit：N/m2）

圖12 局部襯砌SX應(yīng)力圖（單位：N/m2）Figure 12 SX stress nephogram of Partial lining（unit：N/m2）

圖13 整體襯砌SY應(yīng)力圖（單位：N/m2）Figure 13 SY stress nephogram of Integral lining（unit：N/m2）

圖14 局部襯砌SY應(yīng)力圖（單位：N/m2）Figure 14 SY stress nephogram of Partial lining（unit：N/m2）

圖15 整體襯砌SZ應(yīng)力圖（單位：N/m2）Figure 15 SZ stress nephogram of Integral lining（unit：N/m2）

圖16 局部襯砌SZ應(yīng)力圖（單位：N/m2）Figure 16 SZ stress nephogram of Partial lining（unit：N/m2）

從以上應(yīng)力云圖可以看出，結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力水平不高，但在邊墻于底板、頂板相交處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力達(dá)到2.5MPa，此處應(yīng)作為配筋計(jì)算的重點(diǎn)關(guān)注位置。通過以上分析，對(duì)比相關(guān)工程，該內(nèi)力結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)律，計(jì)算結(jié)果合理可靠，可以用來作為下一步配筋計(jì)算的依據(jù)。

4 配筋計(jì)算及最終配筋

通過分析以上應(yīng)力結(jié)果云圖可知，結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力水平不高，但在邊墻與底板、頂板相交處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，為了能夠在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下盡量節(jié)約經(jīng)濟(jì)，在計(jì)算配筋的時(shí)候?qū)?yīng)力集中部分及非應(yīng)力集中部分分別配筋。根據(jù)非應(yīng)力集中部分常規(guī)配筋，對(duì)應(yīng)力集中部位再進(jìn)行局部加強(qiáng)。x向及z向（結(jié)構(gòu)截面的寬、高方向）應(yīng)力集中主要發(fā)生在混凝土岔管及分岔管的邊角位置，可選應(yīng)力最大截面進(jìn)行配筋計(jì)算，x向選擇主管頂角處應(yīng)力值計(jì)算岔管結(jié)構(gòu)底板及頂板配筋（剖面a-a），z向選擇支管頂角處應(yīng)力值計(jì)算岔管結(jié)構(gòu)邊墻配筋（剖面b-b），y向?yàn)轫標(biāo)鞣较颍瑧?yīng)力集中位置發(fā)生在頂板與邊墻相交的分叉點(diǎn)位置，選擇該處對(duì)頂板的y向進(jìn)行配筋計(jì)算（剖面c-c），以上位置為結(jié)構(gòu)加強(qiáng)配筋位置，在離以上三個(gè)位置1.5m處，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)的正常配筋計(jì)算[7，8]。

具體配筋位置及配筋結(jié)果如圖17所示。

圖17 配筋計(jì)算位置示意圖Figure 17 Schematic diagram of reinforcement calculation location

圖18 暗梁平面布置圖（單位：mm）Figure 18 Layout plan of concealed beam （unit：mm）

通過計(jì)算以上幾個(gè)應(yīng)力集中位置及非應(yīng)力集中位置的配筋，得出各部位配筋結(jié)果如表4所示。

表4 各截面配筋成果匯總Table 4 Summary of reinforcement results of each section

通過以上配筋結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋，考慮到加強(qiáng)配筋較大，為節(jié)約鋼筋用量，配筋采用正常配筋原則進(jìn)行，在需要加強(qiáng)位置進(jìn)行角位置局部加強(qiáng)，在頂板位置設(shè)置暗梁進(jìn)行加強(qiáng)，暗梁平面布置見圖18。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某引水工程尾水岔管結(jié)構(gòu)為例，應(yīng)用ANSYS軟件建立模型，計(jì)算出應(yīng)力結(jié)果，通過對(duì)計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行配筋計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)的最終配筋。從以上計(jì)算及分析可以得出：

對(duì)于尾水混凝土岔管的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與一般隧洞區(qū)別較大，更類似于閘門井結(jié)構(gòu)，另外由于結(jié)構(gòu)體型為方形結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置，此處應(yīng)作為開挖及襯砌施工過程中重點(diǎn)關(guān)注部位。施工中，在配筋計(jì)算中也需做局部單獨(dú)計(jì)算，加強(qiáng)配筋，確保岔管結(jié)構(gòu)安全。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，應(yīng)力分布規(guī)律總體合理，使用有限元計(jì)算軟件ANSYS建立結(jié)構(gòu)模型，施加相應(yīng)的荷載，計(jì)算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力，利用應(yīng)力結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋計(jì)算，能夠滿足工程實(shí)際的需要，也是在做結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)的一種新的思路。但結(jié)合此處的結(jié)構(gòu)及應(yīng)力特點(diǎn)，該處結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，應(yīng)力水平高，整體配筋量較大，在后續(xù)的工作中可研究如何優(yōu)化該處結(jié)構(gòu)體型，最終達(dá)到優(yōu)化配筋及工作難度的目的。