深大直徑調壓井檢修門閘墩結構優化

靳俊杰,邵 祥,張利平,李明樂 ,石廣斌

(1.中國電建集團水電工程十一局有限公司，鄭州 450001；2.中國電建集團水電工程五局有限公司，成都 610066；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；4.西安建筑科技大學，西安 710055)

0 前 言

國外某引水式電站的引水系統主要建筑物包括進水口、引水隧洞、調壓井和壓力管道。引水隧洞總長約5.2 km，襯砌后直徑11.4 m，在引水隧洞末端約4.5 km處布設開敞式調壓井。調壓井采用阻抗式，井筒斷面內徑為32 m，開挖底部高程為481.50 m，井頂高程為615.00 m，鋼筋混凝土襯砌厚2.0 m。調壓井底部引水隧洞分岔為5條壓力管道，每條壓力管道進口設置1道檢修門和1道事故閘門，孔口尺寸均為4.8 m×4.8 m(寬×高)，檢修閘門槽與調壓井聯通即同在1個大井內，檢修閘門閘墩高116.9 m；事故閘門位于下游事故閘室內，事故閘室與檢修門槽之間是一道3.25 m厚的鋼筋混凝土墻。調壓井開挖斷面為圓形+扇形異形結構，最大開挖直徑為50.8 m，開挖深度為133.2 m。阻抗板頂面高程為498.40 m，底面高程為495.40 m，厚度為3.0 m。調壓井最高涌浪為612.30 m，最低涌浪為500.79 m，阻抗板以上井筒作用的最大水頭為113.9 m。

由于壓力管道檢修門閘墩與調壓井同在1個大井內，鋼筋混凝土襯砌斷面為半圓形+凸凹扇形結構。按常規設計要在檢修閘門槽上游設置胸墻或連系梁[1]，將會給井筒混凝土滑模澆筑帶來困難和不便。而本工程檢修門閘墩高度為116.9 m，井筒最大PD=4 450 m2，國內外較為少見，可借鑒工程經驗較少，取消檢修閘門槽上游設置的胸墻或連系梁，將會給結構受力帶來不利，也可能對鋼筋混凝土結構承載能力帶來安全風險等。因此，本文采用三維有限元法，基于不同檢修閘門的閘墩結構應力分析和鋼筋混凝土結構承載能力極限狀態計算，對調壓井檢修門閘墩結構體系進行優化，為便于進行滑模施工，降低潛在安全風險提供支撐。

1 檢修門閘墩結構體形擬定

根據結構需要完成的預定功能和檢修閘門的體形以及調壓井穩定斷面及阻抗孔直徑，擬定了3種檢修門閘墩結構，如圖1～3。方案1是在檢修門槽前設置2.0m厚的胸墻，在阻抗板中心處設置阻抗孔，直徑為7.0 m，體形示意如圖1。方案2是在檢修門槽上游，沿高度方向上每隔4.5 m設置1道連系梁，梁截面為2.0 m×2.0 m(寬×高)，阻抗板不設阻抗孔，由檢修門槽代替，體形示意如圖2。方案3是在方案2基礎上取消檢修門槽上游的連系梁，體形示意如圖3。

圖1方案1結構體形示意 單位：m

圖2方案2結構體形示意 單位：m

圖3方案3結構體形示意 單位：m

表1 設計工況和荷載分項系數

表1中的工況A為正常運行，內水水位579.00 m。工況B為最高涌浪，內水水位：612.30 m。工況C為阻抗板向下最大壓差為6.19 m，內水水位為587.35 m。工況D為阻抗板向上最大壓差為17.72 m，內水水位為575.53 m。工況E為檢修口，外水水位為505.00 m。所有荷載均需乘以水力因子Hf=1.3。

2 材料參數

調壓井井筒襯砌和檢修門槽閘墩結構混凝土材料力學參數見表2。鋼筋強度和彈性模量見表3。

表2 襯砌混凝土材料力學參數

表3 鋼筋強度和彈性模量

本工程調壓井位于山梁部位，其地下水排泄條件較好，調壓井整體位于地下水位以上。調壓井高程570.00 m以上巖體穩定性差，為Ⅳ類圍巖，506.00～570.00 m段巖體穩定性一般，為Ⅲ類圍巖，斷層破碎帶及裂隙密集帶段為Ⅳ類圍巖，調壓井圍巖的物理力學參數見表4。

表4 調壓井圍巖物理力學參數

3 結構應力三維有限元計算分析

3.1 三維有限元模型

地下混凝土結構與圍巖之間的相互作用的受力機制是非常復雜的，目前這類結構受力分析主要借助有限元[4-9]。本文依據調壓井混凝土結構擬定體型圖，構建三維有限元數值分析模型如圖4～5。調壓井周邊到計算邊界的最小距離為170.0 m，調壓井最低建基面到計算模型底部的距離為141.5 m。模型采用迭卡爾直角坐標系，符合右手螺旋定則，X軸順水流方向，指向下游為正；Y垂直水流方向，左手為正(面向下游)；Z軸為豎直方向，指向上為正。

圖4 圍巖單元網格示意

混凝土結構用6面體或5面體單元單元模擬，單元邊長約為0.8～1.5 m。圍巖用4面體單元來模擬，單元邊長1.0～35.0 m。用接觸單元模擬圍巖和混凝土結構之間的接觸。模型底面為固定約束，4個側面為法向約束，地表為自由面。

圖5 混凝土結構單元網格示意

3.2 結構應力計算分析

限于篇幅，本文就工況B的結構應力分布狀態進行闡述，混凝土結構承載能力極限狀態計算也是針對該工況。3種結構體系對檢修門槽附近(如圖6中的陰影區)拉應力分布區域及極值大小有明顯的影響。當沒有胸墻或連系梁時，門槽下游直角點(即圖6中的F和G等)環向拉應力明顯偏大，如圖7。方案1上游墻上的環向拉應力最大值達到2.56 MPa，大于混凝土抗拉強度2.01 MPa，此時檢修閘門槽上游墻必然開裂，內力也就轉移到檢修門槽下游墻上，若其承載能力配筋不足，將會增加檢修門槽下游墻的不安全性；同樣，方案2梁上的環向拉應力最大值達到4.90 MPa，也遠大于混凝土抗拉強度標準值，此時連系梁也必然開裂，內力同樣要轉移到檢修門槽下游墻上，相對于方案1，轉移的內力要少一些，圖7(a)和圖7(b)可以驗證這一點。當不設置上游胸墻或連系梁后，檢修閘門槽直角部位的拉應力雖然會有一定程度的增加，但從受力筋和構造筋兩個方面可解決結構承載能力問題。

圖6 高程513.00 m以上截面

圖7 高程520.00 m截面環向應力 單位：MPa

圖6中的A、B、C、D、E、F、G等6個觀測點的拉應力統計見表5，其變化趨勢見圖8。從圖8中可以清楚地看出，檢修門槽上游是否設置墻或連系梁，對檢修門槽下游直角處附近拉應力影響最大，相對于方案3，設置上游胸墻，門槽直角處的拉應力降幅可達到16.3%～49.9%，影響非常明顯；設置連系梁，其拉應力降幅為2.4%～23.5%，影響比較明顯；而對于上游半圓混凝土襯砌結構，檢修門槽設置上游墻時，其拉應力降幅為2.2%～10.6%；設置連系梁，其拉應力降幅為2.5%～3.3%，影響較小。

表5 觀測拉應力統計 /MPa

圖8 觀測點拉應力變化

3.3 承載能力極限狀態計算

按內力法對混凝土結構承進行載能力極限狀態計算[10]，關鍵截面配筋計算結果見表6。

表6 配筋計算結果

從表6可以清楚看出，3種方案中，方案3典型截面配筋最少。相對于方案3，方案1和方案2增加的配筋面積分別為13.6%和10.0%，主要原因是方案3的閘墩在水平平面上的剛度相對較小，相反傳遞到圍巖上的內水壓力會增加，充分利用了圍巖的抗力作用。

綜上所述，3種方案中，方案3配筋最少，體形上又便于施工，而檢修門閘墩僅靠圍巖，可以做到充分利用圍巖抗力作用，降低混凝土結構自身的內力轉移而造成檢修閘門槽下游墻配筋的不足，同時也就消除了因內力轉移所引起的結構安全風險，因此，確定方案3為推薦方案。

4 結 論

(1) 采用三維有限元對調壓井襯砌和檢修門閘墩結構與圍巖相互作用應力分析得出，檢修門槽上游設置的胸墻或連系梁對閘墩結構應力分布影響比較明顯，去之可以充分利用圍巖的抗力，降低結構自身內力轉移所帶來的安全風險。

(2) 在結構應力分析和鋼筋混凝土結構承載能力極限狀態計算基礎上，確定檢修門槽上游不設置胸墻或連系梁的結構體系是安全的。

工程已采用了在檢修閘門槽上游不設置胸墻或連系梁，實現了調壓井上部井筒混凝結構整體滑模澆筑，不僅提高混凝土施工速度，而且獲得了良好的經濟效應，值得同類工程借鑒。