楊房溝拱壩表孔大梁施工方案及受力分析

魏 海 寧， 宋 志 偉， 吳 陽， 李 啟 常， 戴 永 琪

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000；3.河海大學(xué)，江蘇 南京 210000)

1 概 述

楊房溝水電站擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2 102 m，壩高155 m，拱冠梁頂寬9 m，底寬32 m，厚高比0.206。壩頂中心線弧長362.17 m，共分17個壩段。壩身布置4個表孔和3個中孔，表孔采用自由溢流WES堰接出口收縮的跌流型式，中孔采用有壓流接出口窄縫出流的射流型式。4個跨橫縫布置的表孔尺寸10 m×14 m(寬×高)，表孔弧門支撐大梁既可以作為弧門的支撐結(jié)構(gòu)及壩頂公路，更重要的是能在一定程度上恢復(fù)拱壩頂部拱圈，減小開孔對拱壩結(jié)構(gòu)的不利影響，提高拱壩上部結(jié)構(gòu)的整體性，對保持拱壩良好的工作性態(tài)有重要作用。由于表孔流道兩側(cè)閘墩難以同步上升，且為了減小溫度應(yīng)力，表孔支撐大梁不能在施工期初期連成整體，需要對大梁先預(yù)留寬縫再回填，若寬縫回填不密實，則將形成其兩側(cè)懸臂梁各自單獨受力的狀況。鑒于表孔大梁的以上特點，其受力條件十分復(fù)雜，施工難度大，有必要對其分縫方案及受力狀況進行分析。楊房溝拱壩表孔結(jié)構(gòu)平面布置及表孔沿流道中心線剖面見圖1、2。

圖1 表孔結(jié)構(gòu)平面布置圖(單位：高程m，結(jié)構(gòu)尺寸cm)

圖2 表孔沿流道中心線剖面圖(單位：高程m，結(jié)構(gòu)尺寸cm)

2 表孔大梁施工期分縫方案

表孔大梁一般的施工期分縫方式有兩種，即大梁跨中分縫和閘墩分縫[1]。目前，以上兩種分縫方案在國內(nèi)高拱壩中均有采用，跨中分縫的工程有構(gòu)皮灘[2]、錦屏一級[3]等，閘墩分縫的工程有二灘[4]、溪洛渡、烏東德、白鶴灘等。大梁跨中分縫具有以下優(yōu)點：(1)大梁與閘墩可以整體澆筑，大梁與閘墩連接可靠；(2)施工期閘墩兩側(cè)大梁為懸臂結(jié)構(gòu)，可自由伸縮，從而充分釋放施工期溫度應(yīng)力；(3)由于結(jié)構(gòu)對稱，跨中縫面剪力為零，縫面處理難度較小；(4)表孔流道兩側(cè)閘墩不需要同步上升，各壩段施工互不影響。鑒于此，楊房溝表孔弧門支撐大梁施工采用跨中分縫。分縫形式采用“瓶塞形”寬縫，頂寬2.5 m，底寬2.0 m，并預(yù)留鋼筋接頭。考慮寬縫寬度較小，混凝土回填后收縮量較小，其兩側(cè)縫面不設(shè)接縫灌漿系統(tǒng)。

3 大梁分縫對表孔受力影響分析

首先，按寬縫回填后大梁形成整體計算大梁及閘墩應(yīng)力、變形。其次，按寬縫回填不密實，寬縫兩側(cè)懸臂梁各自單獨受力計算，并對兩種受力狀況進行對比，以判斷寬縫回填不密實對孔口結(jié)構(gòu)的影響。計算采用三維有限元子模型法[5]，即先建立包含大壩、壩基、孔口、閘墩等結(jié)構(gòu)整體模型，然后對重點關(guān)注的孔口、閘墩、大梁范圍進行網(wǎng)格加密處理，建立精細(xì)子模型，以滿足計算精度。在子模型上施加位移邊界條件及相應(yīng)荷載進行計算，位移邊界取整體模型的計算成果(圖3～5)。

3.1 計算工況及參數(shù)

上游水位取正常蓄水位2 094 m，此時表孔弧門單個支鉸推力P=1 040 t。表孔閘墩和大梁采用C30混凝土，容重γ=24 kN/m3，彈模E=22 GPa，泊松比λ=0.167。

圖3 楊房溝拱壩整體模型

圖4 表孔閘墩及大梁子模型(無寬縫)

圖5 表孔閘墩及大梁子模型(有寬縫)

3.2 計算結(jié)果及受力特點

(1)大梁應(yīng)力。大梁無寬縫時，其拉應(yīng)力水平很小，主要分布在大梁與閘墩結(jié)合處附近、大梁下游面和底面，大梁上游面由于弧門推力的作用主要為壓應(yīng)力。大梁有寬縫時，其壓應(yīng)力水平很小，主要分布在弧門推力作用面以及大梁下游面與兩側(cè)閘墩結(jié)合處附近，而大梁上游面與兩側(cè)閘墩結(jié)合處附近的拉應(yīng)力較大。表1列出表孔大梁主應(yīng)力最大值對比情況，圖6、7為兩種工況大梁第一主應(yīng)力分布。

圖6 大梁第一主應(yīng)力(Pa)(無寬縫)

圖7 大梁第一主應(yīng)力(Pa)(有寬縫)

(2)閘墩應(yīng)力。大梁無寬縫時，表孔閘墩拉應(yīng)力主要分布在閘墩與大梁、孔身段結(jié)合處周圍，其中左側(cè)閘墩與大梁結(jié)合處附近的拉應(yīng)力較大，成貝殼狀分布且應(yīng)力值逐層向外遞減，壓應(yīng)力主要分布在閘墩與孔身段、壩體結(jié)合處。大梁有寬縫時，閘墩與大梁、堰面結(jié)合處的拉應(yīng)力增大，其中堰面與左側(cè)閘墩結(jié)合處附近的拉應(yīng)力較大，閘墩與孔身段結(jié)合處的壓應(yīng)力增大，其中下游堰面閘墩與左側(cè)閘墩結(jié)合處的壓應(yīng)力較大。表2列出三種工況作用下大梁有無寬縫時的表孔閘墩主應(yīng)力最值對比情況，圖8、9為兩種工況閘墩第一主應(yīng)力分布。

表1 表孔大梁主應(yīng)力

表2 表孔閘墩主應(yīng)力

圖8 閘墩第一主應(yīng)力(Pa)(無寬縫)

圖9 閘墩第一主應(yīng)力(Pa)(有寬縫)

(3)大梁變形。大梁無寬縫時，x向位移最大值出現(xiàn)在大梁頂面與左側(cè)閘墩結(jié)合處，y向位移最大值出現(xiàn)在大梁下游面與右側(cè)閘墩結(jié)合處，z向位移最大值出現(xiàn)在大梁頂面與右側(cè)閘墩結(jié)合處。大梁有寬縫時，大梁位移分布情況變化不大。表3列出三種工況作用下有無寬縫時的表孔大梁最大位移對比情況，圖10、11為兩種工況大梁y向位移情況。

圖10 大梁y向位移(m)(無寬縫)

圖11 大梁y向位移(m)(有寬縫)

(4)閘墩變形。大梁無寬縫時，x向位移最大值出現(xiàn)在左側(cè)閘墩上游面，y向位移最大值出現(xiàn)在右側(cè)閘墩下游面，z向位移最大值出現(xiàn)在右側(cè)閘墩。大梁有寬縫時，表孔閘墩位移分布情況變化不大。表4列出三種工況作用下大梁有無寬縫時的閘墩最大位移對比情況，圖12、13為兩種工況閘墩y向位移分布。

表3 表孔大梁最大位移

表4 表孔閘墩最大位移

圖12 閘墩y向位移(m)(無寬縫)

圖13 閘墩y向位移(m)(有寬縫)

(5)經(jīng)計算分析，在大梁無寬縫、有寬縫兩種受力狀況下，大梁及閘墩應(yīng)力分布存在一定差異，應(yīng)力極值均在可控范圍，通過配筋均可滿足受力要求，位移分布和極值差異不大。

4 寬縫回填施工技術(shù)要求

為保證回填混凝土施工質(zhì)量，使寬縫回填密實，需要明確回填混凝土?xí)r間與拱壩橫縫接縫灌漿的關(guān)系、混凝土溫控要求、分層要求等施工技術(shù)要求。

(1)寬縫回填時機。大梁底高程為2 089 m，寬縫回填應(yīng)在第十五層灌區(qū)(高程2 079～2 092 m)接縫灌漿后進行，且第十六層灌區(qū)(高程2 092～2 102 m)拱壩及大梁混凝土冷卻至接縫灌漿溫度，混凝土齡期不小于90 d。應(yīng)先完成寬縫回填(1～4號表孔寬縫回填施工應(yīng)同步進行)，待回填混凝土齡期滿28 d后，再進行兩側(cè)橫縫的接縫灌漿(按照由中間向兩岸逐步推進的要求進行接縫灌漿)。

(2)寬縫回填前縫面處理。應(yīng)將寬縫兩側(cè)縫面深鑿毛處理，需鑿除深度1～2 cm，達到“微露小石”標(biāo)準(zhǔn)。寬縫內(nèi)鋼筋連接應(yīng)在大梁混凝土溫度降至封拱溫度后開始，以充分釋放施工期混凝土溫度應(yīng)力。

(3)寬縫回填混凝土及澆筑方式。采用C30F200W10二級配混凝土。回填混凝土采用分層澆筑的方式，層厚宜采用3～4.5 m。

(4)回填混凝土溫度控制。澆筑溫度按照不超過14 ℃控制且不能低于7 ℃，最高溫度按不超過29 ℃控制，回填混凝土至少冷卻至15 ℃后再進行兩側(cè)橫縫的接縫灌漿。回填混凝土中埋設(shè)冷卻水管(1 m×1 m)，冷卻水管入口處參考通水溫度為8 ℃～10 ℃，宜分兩期通水冷卻，之間宜間歇或控溫5～10 d，一期通水冷卻目標(biāo)溫度為21 ℃，日最大降溫不宜超過1 ℃，且日平均降溫不宜超過0.6 ℃。二期通水冷卻目標(biāo)溫度為15 ℃，日最大降溫不宜超過0.6 ℃，且日平均降溫不宜超過0.4 ℃。若采用小流量連續(xù)通水，通水總時間不宜低于25 d。

(5)表孔弧門支撐大梁施工需搭設(shè)大量型鋼或腳手架支撐。由于支架高度及承受荷載較大，且為高空作業(yè)，施工安全風(fēng)險高。表孔大梁混凝土澆筑層厚第一層采用1.5 m，第二層1.5 m，第三層及以上按不超過4.5 m控制，層間間歇期按5～10 d控制(其中第一層、第二層澆筑滿7 d齡期后方可澆筑下一層)，不宜超過14 d。

5 結(jié) 語

高拱壩表孔大梁受力條件復(fù)雜，施工難度大，筆者對其分縫方案及受力狀況進行分析。表孔大梁施工期采用跨中“瓶塞形”分縫施工方案，與閘墩分縫方案相比，具有結(jié)構(gòu)可靠且便于施工的特點，可在同類工程中推廣使用。

對大梁無寬縫、有寬縫進行的對比分析表明，兩種受力狀況下大梁及閘墩應(yīng)力分布存在一定差異，應(yīng)力極值均在可控范圍，通過配筋均可滿足受力要求。位移分布和極值差異不大。按照控制工況進行配筋設(shè)計后，即使大梁回填施工存在不密實的情況，孔口結(jié)構(gòu)仍能正常工作。

為保證回填混凝土施工質(zhì)量，對回填時間與拱壩橫縫接縫灌漿的關(guān)系、混凝土溫控、分層等提出了技術(shù)要求。目前楊房溝表孔大梁、閘墩已澆筑完成，寬縫回填已部分完成，施工過程順利、質(zhì)量優(yōu)良，可為類似工程提供借鑒。