局部放大體對表孔閘墩結構應力影響的模型試驗研究

陳 林

(江西省水利水電建設有限公司，江西 南昌 330025)

1 工程簡介

某水電站是一座以防洪和發電為主，兼有養殖和旅游等諸多功能的綜合性水利樞紐工程。電站的大壩為漿砌石拱壩設計，最大壩高66m。拱壩兼有拱和梁的作用，其穩定性并不完全依賴自重維持，因此可以充分發揮材料本身的抗壓抗拉作用，與相同高度的重力壩相比可以節省30%～60%的材料，具有顯著的經濟性[1]。由于拱壩的壩址河谷往往較窄，設置河岸式溢洪道極為不便，因此多采用表孔和深孔相結合的泄洪方式。相對于深孔，表孔具有泄流能力強和方便檢修等諸多優勢，因此往往承擔著水利工程的主要泄流任務，并導致表孔的尺寸不斷增大。對于這些水頭高、尺寸大的泄流表孔，往往需要設置閘墩和支鉸承載體構成的支撐結構，保證弧形閘門的運行安全。在水利工程實際運行過程中，拱壩會產生指向下游的變形，從而使閘墩的側面拉應力增大。針對這一問題，雖然可以采用預應力閘墩解決，但是會導致造價的大幅提升。同時，采用側面加筋的方式承擔一部分拉應力，但是仍存在拉應力過大而致側面裂縫的問題[2]。基于此，研究中在閘墩的外側與壩體的相交部位設置局部放大體，并利用模型試驗的方法，進行局部放大體的長度和寬度優化，為工程設計和建設提供必要的理論和技術支撐。

2 局部放大體設計方案

整體增加閘墩的厚度固然對控制閘墩變形具有重要作用，但是會大幅增加工程造價，不利于工程設計經濟性的發揮[3]。研究中根據閘墩應力的分布特征，在閘墩的外側與壩體相接的部位進行尺寸的局部放大，也就是增設局部放大體，以提升該部位的剛度。其設計示意圖如圖1所示。

圖1 局部放大體示意圖

為了研究不同尺寸局部放大體對表孔結構應力的影響，研究中選擇局部放大體的長度和寬度2個主要變量，設計2組不同的試驗方案。第一組試驗方案為保持局部放大體的寬度為4m不變，設計局部放大體的長度分別為2.0、4.0、6.0、8.0m，分別記為方案1—4。對上述4種方案的表孔結構典型部位的應力進行計算，以獲得最佳的局部放大體長度值。第二組試驗方案為保持局部放大體的長度為4m不變，對局部放大體的寬度分別為2.0、4.0、6.0和8.0m，分別記為方案5—8，利用模型試驗的方法對上述不同方案下的表孔結構典型部位的應力進行研究分析。在實驗過程中將未設置局部放大體的原始方案作為對比方案(記為方案0)。

3 模型試驗設計

3.1 模型材料

根據閘墩的設計資料，同時考慮模型制作的可行性以及測試結果的準確性，確定模型與原型之間的相似系數為1/10[4]。根據模型試驗相似理論，能夠反映原型受力全過程的模型材料和原型材料之間的應力和應變關系應該具有全過程相似性。模型制作過程中采用連續級配5～20mm的人工碎石配置混凝土，現澆成型，澆筑的順序與閘墩施工方案相同[5]?；炷劣盟酁镻.O.42.5普通硅酸鹽水泥，細骨料選用河沙，細度模數為2.70；模型用鋼筋選用的是直徑6.5mm的圓形鋼筋，數量和間距根據配筋率相同的原則進行換算；預應力鋼筋采用的是直徑5mm的高強度低松弛鋼絲，其數量也根據相似性原則換算獲取，混凝土用SK- 3引氣型減水劑。

3.2 加載系統

閘墩在工作中所承載的荷載主要是閘墩自重、弧門推力、水壓力以及預應力荷載[6]。在模型試驗過程中，通過預應力由2臺張拉千斤頂施加，并按照錨塊和閘墩的順序分別對稱張拉；閘墩的弧形門受到的水推力由2個液壓千斤頂施加；模型受到的側向水壓力由3個液壓千斤頂施加；模型的自重由2個液壓千斤頂施加。上述所有的千斤頂由傳感器通過靜態電阻應變儀讀數進行精確控制。

3.3 測試系統

試驗過程中的數據由電阻應變片通過傳感器獲取，結合相關研究成果和經驗，在模型的關鍵部位設置184個應變片和應變計[7]。其中，閘墩左側和右側表面共設置130個混凝土應變片。主要用于測試閘墩混凝土的表面應變，在閘墩的內部和預應力筋部位共設置49個鋼筋應變片，用于測試鋼筋的應變，在混凝土內部埋設5個混凝土應變計，用于測試閘墩頸部的應變。所有的電阻應變片均采用Solartron數據采集儀，以獲取試驗過程中的應力應變數據[8- 14]。

4 計算結果與分析

4.1 局部放大體的長度優化

利用制作的不同方案的閘墩模型，對第一組計算方案閘墩內側面、閘墩外側面、溢流堰以及壩頂連接梁等4個主要部位的應力進行模型試驗，從試驗結果中提取拉應力和壓應力的最大值，結果見表1。

由表中的結果可知，除了溢流堰拉應力和閘墩外側壓應力之外，表孔結構主要部位的壓應力和拉應力均隨著局部放大體長度值的增加而減小。這說明，增設局部放大體對降低表孔結構的應力水平，提高拱壩結構的安全度具有重要作用。同時，表孔結構主要部位的壓應力和拉應力均隨著局部放大體長度值的增加而迅速減小，然后減小幅度逐漸減小而趨于穩定。以閘墩內側的拉應力和壓應力為例，與方案1相比，方案2、方案3和方案4的拉應力值分別減小了17.7%、19.57%、20.8%；壓應力值分別減小了6.9%、8.9%、9.4%。由此可見，方案2和方案1相比，拉應力和壓應力減小幅度較大，優化效果十分明顯，隨著局部放大體長度值的進一步增加，方案3和方案4的拉應力和壓應力的減小幅度極為有限，進一步優化效果并不明顯。因此，綜合表孔結構的應力水平以及經濟性特征，認為方案2為第一組計算方案中的最佳方案，也就是局部放大體長度的最佳值為4.0m。

表1 主要部位應力最大值計算結果(長度優化) 單位：MPa

4.2 局部放大體的寬度優化

利用制作的不同方案下的閘墩模型，對第二組計算方案下閘墩內側面、閘墩外側面、溢流堰以及壩頂連接梁等4個主要部位的應力進行模型試驗，從試驗結果中提取拉應力和壓應力的最大值，結果見表2。

由表中的結果可知，除了溢流堰拉應力和閘墩外側壓應力之外，表孔結構主要部位的壓應力和拉應力均隨著局部放大體寬度值的增加而減小。表孔結構主要部位的壓應力和拉應力均隨著局部放大體寬度值的增加而逐步減小，說明局部放大體寬度越大，對改善表孔結構的受力狀態越有利。以閘墩內側的拉應力和壓應力為例，與方案1相比，方案2、方案3和方案4的拉應力值分別減小了9.3%、25.3%、28.5%；壓應力值分別減小了8.2%、12.7%、16.5%。鑒于各方案閘墩內側的應力值較高，且方案4與方案2相比增加的混凝土用量約724m3，成本增加并不大。因此，綜合表孔結構的應力水平以及經濟性特征，認為方案4為第二組計算方案中的最佳方案，也就是局部放大體寬度的最佳值為8.0m。

表2 主要部位應力最大值計算結果(寬度優化) 單位：MPa

5 結論

工程經驗表明，對于較大尺寸的表孔，閘墩、支撐結構以及溢流堰等部位的受力條件十分復雜，如果體型設計不合理，極易誘發表孔局部混凝土開裂，影響大壩的運行安全。本次研究以某水電站為例，利用模型試驗的方法，研究了設置局部放大體表孔位置對表孔結構應力的影響，認為增設局部放大體對降低表孔結構的應力水平具有重要作用，并給出了局部放大體的最佳尺寸設計方案，可以為本工程以及相關類似工程設計提供有益的支持和借鑒。當然，本次研究通過室內模型試驗的方式進行，難以對工程實際進行十分精確的模擬。因此，設計思路和方案的有效性有待通過數值模擬和工程實踐檢驗的方式予以進一步的驗證。