新疆托克遜縣某水庫放空沖沙兼導流洞有限元配筋分析

曹 凱

(吐魯番市清源水利水電勘測設計院有限公司，新疆 吐魯番 838000)

1 工程概況

新疆托克遜縣某水庫主要任務為農業灌溉和工業供水，遏制灌區地下水超采，是一座具有綜合效益的水庫樞紐工程[1]。放空沖沙兼導流洞布置在河床的右岸，是一條具有多種用途的水工隧洞。放空沖沙兼導流洞在水庫大壩工程截流后的施工過程中承擔施工導流任務，在水庫完建后，正常運行期間由該隧洞完成沖沙、放空任務[2]。

2 計算依據及計算條件

2.1 計算斷面及模型

放空沖沙兼導流洞總長426.91 m，其中樁號0+000～0+121.97，全長121.97 m，為有壓段，斷面形式采用3 m×3.5 m城門洞型，有壓段隧洞采用鋼筋砼襯砌，襯砌厚度為0.6 m，樁號0+111.97～0+121.97為漸變段，由3 m×3.5 m城門洞型漸變為3 m×3.5 m的矩形斷面；樁號0+121.97～0+141.07為工作閘井段，總長為19.1 m；樁號為0+141.07～0+426.91，總長為285.84 m，為無壓段，斷面形式采用3 m×4.0 m城門洞型，無壓段隧洞采用鋼筋砼襯砌，襯砌厚度為0.6 m，樁號0+141.07～0+151.07為漸變段，由3 m×4.0 m矩形斷面漸變為3 m×4.0 m的城門洞型[3]。本次隧洞采用典型斷面計算，見圖1；隧洞有限元計算模型計算見圖2。

圖1 隧洞的典型計算斷面

圖2 隧洞的有限元計算模型

2.2 配筋計算原理

放空沖沙兼導流洞的配筋計算依據《水工混凝土結構設計規范》(SL191-2008)中6.4 正截面受拉承載力計算；裂縫寬度驗算依據《水工隧洞設計規范》(SL279-2016)附錄D混凝土襯砌裂縫寬度計算[4]。

2.3 計算軟件

大型通用有限元軟件ADINA(Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis)具備較豐富的材料庫、高效的非線性求解器、卓越的流固耦合分析功能以及完備的前后處理模塊，已廣泛應用于土木、水利、航空、機械等領域的工程仿真分析中。由于ADINA能方便地模擬分期開挖、填筑施工、接觸等復雜的工程問題，已在巖土工程領域得到廣泛應用[5]。

2.4 計算工況及參數

2.4.1 計算工況

本文僅針對某水庫導流洞的兩類典型斷面進行分析，對于進出口段的隧洞斷面需要進行詳細的三維有限元整體分析[6]，荷載分項系數見表1，有壓隧洞工況荷載組合見表2，無壓隧洞工況荷載組合見表3。

表1 荷載分項系數

表2 有壓隧洞工況荷載組合

表3 無壓隧洞工況荷載組合

2.4.2 計算參數

結合工程地質情況及結構設計，確定隧洞計算材料參數，見表4。

表4 襯砌混凝土及鋼材材料參數

3 有限元計算結果

通過大型通用有限元軟件ADINA計算出隧洞的最大拉應力，見表5及圖3。

表5 隧洞最大拉應力

圖3 隧洞的有限元計算結果

4 配筋及裂縫寬度計算

利用應力積分的原理求取隧洞的內力，并依據規范完成隧洞的配筋計算。具體過程見表6。

表6 配筋及裂縫寬度驗算表

5 結 論

依據《水工隧洞設計規范》(SL279-2016)和《水工混凝土結構設計規范》(SL191-2008)，按正常使用極限狀態對襯砌結構進行限裂設計，通過利用大型通用有限元軟件進行分析計算，對于有壓隧洞，襯砌厚0.6 m的斷面，配筋的控制工況為校核工況，確定配筋方案為內外各配5φ25@200；對于無壓隧洞，襯砌厚0.6 m的斷面，配筋的控制工況為施工導流工況，確定配筋方案同樣為內外各配5φ25@200。結果為隧洞配筋計算提供理論依據。