溪仔口水電站泄水閘閘墩結構復核分析

鄧曉娟

（福建安瀾水利水電勘察設計院有限公司,福建 龍巖 364000）

泄洪建筑物是水電站中的重要組成部分,泄水閘是泄洪建筑物中的常見型式。為調節水庫蓄水量和下泄流量,水電站中的泄水閘設有閘門,而泄水閘孔兩側的閘墩就成為支撐閘門及啟閉設備、分隔孔口、泄洪導流的重要結構,該結構的安全性是保障水電站安全有效運行的關鍵[1-2]。材料力學法是水閘設計規范中規定采用的計算方法,該方法有長期的實踐經驗和多年的工程實踐證明,應用此方法并按規定的指標進行水閘設計或復核,可以保證工程的安全[3-4]。但閘室存在著閘墩較高、基礎復雜等特點,傳統材料力學法對邊界條件考慮簡單,無法準確描述閘墩關鍵部位的受力和變形情況[5],因此需要在傳統計算方法外輔以三維有限元方法進行校核補充。本文針對福建省溪仔口水電站泄水閘閘墩結構,采用材料力學法和三維有限元法在閘墩處于最不利工況下進行靜力計算分析。

1 工程概況

溪仔口水電站泄水閘壩段布置在河床中部設7 個開敞式溢流孔,泄水閘共8 個閘墩,其中邊墩2 個,中墩6 個,每孔凈寬15.0 m,閘墩厚2.5 m,溢流段總長125.0 m,其工程布置見圖1。溢流堰采用駝峰堰,堰頂高程156.5 m,閘室長29.3 m。溢流堰下游采用底流與面流相結合的消能方式。河道中部的3#、4#、5#孔為先啟孔,采用底流消能,閘下游設消力池,池長30.0 m,池深2.0 m；其余4孔為后啟孔,為保護壩基設短護坦,護坦長度12 m。溢流孔采用弧門擋水,弧門尺寸為15.0 m×11.3 m（寬×高）,半徑1.25 m,由后拉式卷揚機啟閉操作。弧門前設疊梁檢修門,由壩頂門機啟閉。閘室頂設交通橋和啟閉房,橋面高程為173.0 m。泄水閘底板采用混凝土C20,在上層表面和上下游垂直面配筋,順水流方向為Ф16@200,垂直水流方向為Ф12@300,其底層未配筋。閘底板頂面上游段高程為156.0 m,堰頂高程為156.5 m,下游段為155.0 m,底板上下游分別設齒槽,底高程均為151.5 m,中間段底面高程為154.0 m, 底板最小厚度為1.5 m；閘墩采用C20 砼,墩頂高程為173.0 m,底高程同閘底板為154.0 m,墩高為19.0 m。

圖1 溪仔口水電站泄水閘工程布置圖

2 材料力學法計算結果與分析

2.1 計算斷面及計算工況

閘墩結構按材料力學法進行計算時,將閘墩視作固接于閘底板的懸壁梁。考慮到閘墩順水流方向慣性矩較大,垂直水流方向慣性矩較小,且正常運行工況、設計洪水工況及校核洪水工況下,中墩左右側水位相差不大。只有在檢修工況下,中墩一側工作門擋水、一側檢修門擋水情況下受側向水壓力和弧形閘門支鉸側向推力,故中墩不利工況為檢修工況。

邊墩計算時考慮到靠廠房側止水設在壩下0-001.500 位置,閘墩下游側不設止水。邊墩受力不利工況為正常運行工況下,承受弧形閘門支鉸側向推力及工作門上游側向水壓力,檢修工況下承受檢修門上游側向水壓力,由于在正常運行工況下邊墩承受側向壓力最大,故邊墩按正常運行工況進行計算。

2.2 閘墩彎矩及配筋計算

閘墩受到總側向彎矩,考慮由閘墩整體來承擔。閘墩總側向彎矩計算為M=（M1+M2）/L,其中M1為閘墩側向水壓力產生的彎矩；M2為閘墩弧門支鉸推向閘墩力產生的彎矩；L為閘墩縱向長度。閘墩側向水壓力計算為P = YH2/2,其中Y為水的容重,kN/ m3；H為閘墩側向水頭,m。正常蓄水位工況下弧門支鉸推向閘墩的推力F為1000 kN。經過計算,中墩在檢修工況下,單寬中墩受到側向彎距M為1196.7 kN·m,按承載能力極限狀態進行計算,單寬閘墩鋼筋截面積Ag為19.78 cm2,中墩豎向受力鋼筋應選用Φ16＠100,其截面積Ag為20.11 cm2,其配筋率為0.08%。原設計中墩豎向受力鋼筋為Φ22＠200,其截面積Ag為19.00 cm2,故中墩現有的側向鋼筋滿足各工況下結構受力要求。

邊墩在正常運行工況下,靠泄水閘側承受弧形閘門支鉸側向推力及側向水壓力,單寬邊墩受到側向彎矩M=1589.4 kN·m,按承載能力極限狀態進行計算,單寬閘墩鋼筋截面積Ag為26.39 cm2,邊墩靠閘門側豎向受力鋼筋應選用Φ20＠100,其截面積Ag為31.42 cm2,其配筋率為0.128%。邊墩現有的側向鋼筋為Φ16＠100,其截面積Ag為20.11 cm2,故不滿足正常運行工況下閘墩結構受力要求。

按照《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）的規定,閘墩最小配筋率為0.15%,對應單寬閘墩鋼筋截面積Ag為36.75 cm2,當中墩及邊墩均選用鋼筋Φ22＠100,其截面積Ag為38.01 cm2時方能滿足工程要求。

3 有限元計算結果與分析

3.1 計算模型和參數

為更真實地計算閘墩的工作性狀,采用有限元計算程序ALGOR對閘墩進行數值模擬。將溪仔口水電站泄水閘閘室作為一個整體考慮,并根據實際設計方案及所研究問題對計算模型進行相應簡化,閘室中墩計算模型見圖3,模擬范圍包括閘墩、牛腿和兩邊的閘壩段,其坐標系中x軸為順著河流方向,y軸為壩高垂直向上,z軸為順著壩軸線左岸指向右岸。為保證較精確地模擬,對地基范圍進行延伸,包括向上游延伸35 m、向下游延伸45 m,基巖的底部和上下游側均為三向全部約束。有限元的基本單元采用六面體網格,其節點數為9935個,混凝土單元數為1346個,地基單元數為6224個。計算模型中的材料參數見表1。

表1 計算模型材料參數

圖3 閘室中墩計算模型

3.2 工況與荷載

與上一節材料力學法對應,采用有限元法進行靜力結構計算時同樣考慮最不利工況,相應的工況見表2。

基本荷載如下：正常蓄水位167.5 m,荷載有墩自重、支鉸三向作用力和閘墩側向水壓力。 根據金屬結構提供的支鉸受力計算成果并經坐標轉換,工作閘門擋水時靜水狀態下支鉸側向力H為1000 kN, 垂直鉸座底面的力N為5708.8 kN,平行鉸座底面的力S為403.3 kN。檢修門上游中墩兩側都有側面水壓力,檢修門和工作弧門之間的中墩側面水壓力由工況來定。

3.3 中墩計算成果分析

工況一（右側工作閘門擋水,左側檢修閘門擋水）變形前模型和變形后模型見圖4,由圖4可見,在右側支鉸處不對稱荷載作用下,中墩受力后產生扭曲,閘墩的下游側偏向左邊,最大位移6.5 mm,位于壩頂的下游端部。

圖4 中墩變形前模型和變形后模型（位移擴大1000倍）

工況一的中墩最大主應力見圖5（a）,最小主應力見圖5（b）。由圖可見,牛腿支鉸受力處有應力集中現象,牛腿的拉應力比附近閘墩的應力大幾倍,最大主拉應力7.61 MPa,最大主壓應力4.22 MPa,都位于牛腿支鉸受力部。閘墩最小主應力見圖6,由圖6可見由于中墩受力后產生扭曲,在閘墩左側下游底部主拉應力最大,大小為4.98 MPa,拉應力主要是由支鉸的不對稱作用力造成的。

圖5 中墩工況一主應力圖（Pa）（壓應力為正）

圖6 閘墩最小主應力圖（Pa）（壓應力為正）

工況二（中墩兩側工作閘門擋水）的中墩最大主應力見圖7（a）,最小主應力見圖7（b）。由圖可見,牛腿支鉸受力處有應力集中現象,牛腿的拉應力比附近閘墩的應力大幾倍,最大主拉應力7.49 MPa,最大主壓應力4.31 MPa,都位于牛腿支鉸受力部。閘墩最大主拉應力在牛腿附近,其值為2.77 MPa。

圖7 中墩工況二主應力圖（Pa）（壓應力為正）

3.4 邊墩計算成果

工況一（工作閘門擋水）的邊墩最大主應力見圖8（a）,最小主應力見圖8（b）。由圖8可見,牛腿支鉸受力處有應力集中現象,牛腿的拉應力比附近閘墩的應力大幾倍,最大主拉應力7.60 MPa,最大主壓應力4.23 MPa,都位于牛腿支鉸受力部。由于邊墩受力后產生扭曲,在邊墩背水流側下游底部主拉應力最大,大小為4.99 MPa,拉應力主要是由支鉸的不對稱作用力造成的。

圖8 邊墩工況一主應力圖（Pa）（壓應力為正）

工況二（邊墩泄洪）的邊墩最大主應力見圖9（a）,最小主應力見圖9（b）。由圖可見,最大主拉應力3.42 MPa,位于上游壩踵；最大主壓應力1.75 MPa,位于閘底板附近。

圖9 邊墩工況二主應力圖（Pa）（壓應力為正）

由計算結果分析可知閘墩和壩體溢流面相交的底部應力相對較大,閘墩底部的垂直向配筋是配筋的一個重點。根據SL 191-2008 的非桿件體系鋼筋混凝土結構的配筋計算原則進行配筋,取閘墩下游端拉應力區計算,垂直向受力斷面配筋面積為87.90 cm2,建議垂直向受力鋼筋為Φ25@150。由此可見,三維有限元法相比于傳統的材料力學法,兩者計算結果基本接近。

4 結語

本文主要針對溢流壩閘墩結構,采用材料力學法和三維有限元法,分別計算閘墩結構在中墩和邊墩處于最不利工況下的受力分析和配筋計算。材料力學法計算認為中墩及邊墩豎向受力鋼筋均應選用鋼筋Φ22＠100,而三維有限元法計算認為應選用鋼筋Φ25＠150,兩種方法計算結果基本接近。原設計中閘墩垂直向配筋為Φ16@100,不滿足結構受力要求。