阿爾塔什表孔溢洪洞控制段三維有限元靜力分析

孟 濤,郭榮福，田茂剛，劉 濤

(1.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000；2.新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

表孔溢洪洞控制段作為整個(gè)水利樞紐的重要組成部分，直接影響到溢洪洞的正常工作，對(duì)整個(gè)樞紐工程的安全運(yùn)行至關(guān)重要，因此，控制段閘室的安全穩(wěn)定成為溢洪洞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1]。傳統(tǒng)溢洪洞控制段閘室的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法是將閘室中的各部件分開計(jì)算，這種方法簡單便于理解，但是閘室各部位分開計(jì)算以后不能反映控制段結(jié)構(gòu)的整體效應(yīng)，傳統(tǒng)方法過于繁瑣。采用大型有限元軟件建立閘室段實(shí)體計(jì)算模型，對(duì)不同的工況分別進(jìn)行靜力計(jì)算，對(duì)比分析位移變化趨勢[1- 3]

采用大型有限元軟件對(duì)控制段閘室的應(yīng)力、位移、抗滑穩(wěn)定進(jìn)行了三維有限元分析，為溢洪道閘室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供了理論依據(jù)[4- 6];張?jiān)獫苫诖笮屯ㄓ糜邢拊浖嗀NSYS，建立精細(xì)三維有限元模型模擬分析了猴子巖水電站進(jìn)水口閘室在運(yùn)行期不同工況作用下的應(yīng)力及變形規(guī)律[7];通過建立進(jìn)水口塔群三維網(wǎng)格模型，進(jìn)行阿爾塔什水電站聯(lián)合進(jìn)水口塔群三維有限元靜動(dòng)力分析[8]。以上為各類閘室采用的三維有限元計(jì)算分析，說明三維計(jì)算分析是控制段閘室安全運(yùn)行的可靠處理手段[9- 11]。為模擬溢洪洞控制段在實(shí)際工作中的運(yùn)行狀態(tài)，需要弄清楚控制段閘室在不同運(yùn)行工況下的位移變化情況，本文通過三維有限元方法計(jì)算，分析計(jì)算控制段閘室的整體穩(wěn)定性[12- 16]。

1 工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)南疆喀什地區(qū)莎車縣霍什拉甫鄉(xiāng)和克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣的庫斯拉甫鄉(xiāng)交界處，是葉爾羌河干流山區(qū)下游河段的控制性水利樞紐工程，是葉爾羌河干流梯級(jí)規(guī)劃中“兩庫十四級(jí)”的第十一個(gè)梯級(jí)，在保證塔里木河生態(tài)供水條件下，具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用功能。工程區(qū)地震烈度高，基巖裸露，坡高100m，自然坡度30°～40°，巖性為灰?guī)r夾頁巖，巖層走向與洞臉邊坡交角20°，巖層傾向坡外，控制段體積較大，最大高度33m。

表孔溢洪洞位于左岸山體中，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，表孔溢洪洞單洞泄流量為1984.03m3/s，校核洪水位時(shí)，單洞泄流量為2353.54m3/s。溢洪洞由引渠段、控制段、斜井段、平洞段、出口明槽段、出口挑流消能段和出口護(hù)坡段等組成。控制段全長40.5m，前10m為獨(dú)立的導(dǎo)水墻，導(dǎo)水墻頂高程為1823.69m，控制段閘頂高程1827.000m。控制段設(shè)開敞式WES堰，堰寬15m，堰頂設(shè)工作弧形閘門一道，閘門尺寸15m×14.5m，工作閘門前設(shè)平板檢修閘門一道，操作平臺(tái)上設(shè)閘房?？刂贫尾捎肅30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墻厚2.5m?？刂贫蔚撞炕A(chǔ)固結(jié)灌漿孔間、排距2m，深入基巖4m，Φ25砂漿錨桿間，長4.5m，伸入基巖3.5m?？刂贫蝺蓚?cè)巖體開挖邊坡1∶0.3，沿高程10m高度設(shè)一級(jí)馬道，控制段兩側(cè)回填C15素混凝土。溢洪洞控制段現(xiàn)場照片如圖1所示。

圖1 控制段現(xiàn)場照片

2 計(jì)算分析模型

2.1 計(jì)算工況和方法

控制段結(jié)構(gòu)三維有限元計(jì)算分析主要工況：

(1)竣工期工況，控制段與邊坡之間的混凝土回填等均施工完畢，施加金屬結(jié)構(gòu)及塔頂啟閉設(shè)施重量。

(2)正常運(yùn)用期工況，水庫蓄水至正常蓄水位1820m。

2.2 網(wǎng)格模型

三維有限元網(wǎng)格精確地模擬了表孔溢洪洞控制段結(jié)構(gòu)混凝土和回填混凝土分區(qū)，模擬了基巖和進(jìn)水口邊坡，使模型中節(jié)點(diǎn)累計(jì)約8.594萬個(gè)，單元約7.745萬，其中全部單元均是六面體網(wǎng)格，控制段三維整體網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 控制段三維整體網(wǎng)格模型

2.3 計(jì)算荷載

本次計(jì)算考慮作用在控制段上完建期的荷載有：控制段自重、靜水壓力、浪壓力、揚(yáng)壓力、金屬結(jié)構(gòu)自重(施加金屬結(jié)構(gòu)及塔頂啟閉設(shè)施重量、弧形閘門荷載)[17- 18]。見表1。

表1 各工況荷載組合

2.4 材料參數(shù)和模型

閘井基礎(chǔ)處在弱風(fēng)化灰?guī)r巖體內(nèi)，基礎(chǔ)承載力標(biāo)準(zhǔn)值1.0～1.2MPa。參考地質(zhì)勘查報(bào)告的巖體力學(xué)參數(shù)建議值，確定計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 料的力學(xué)參數(shù)

3 控制段計(jì)算成果分析

根據(jù)規(guī)范要求控制段地基在各種運(yùn)用情況下均應(yīng)滿足承載力、穩(wěn)定和變形的要求?？刂贫斡?jì)算應(yīng)根據(jù)地基情況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工條件進(jìn)行。本項(xiàng)目通過三維有限元方法計(jì)算分析，計(jì)算控制段在靜力況下的位移、應(yīng)力等情況，評(píng)價(jià)控制段整體穩(wěn)定性，并明確山巖對(duì)控制段的推力及控制段相應(yīng)部位應(yīng)力值云圖。本次僅計(jì)算竣工期和正常運(yùn)用期2個(gè)工況下表孔溢洪洞控制段的位移應(yīng)力等情況[19]。

3.1 完建期控制段成果分析

在溢洪洞控制段閘室的分析計(jì)算中，模擬分析了對(duì)控制段垂直水流向位移、順?biāo)飨蛭灰坪拓Q直向位移和應(yīng)力的計(jì)算情況[20- 21]，控制段閘室各向位移云圖如圖3—5所示。

圖3 完建期工況控制段垂直水流向位移(單位：m)

圖4 完建期工況控制段順?biāo)飨蛭灰?單位：m)

圖5 完建期工況控制段豎直向位移(單位：m)

控制段閘室各向位移計(jì)算中，控制段的位移量通過建模計(jì)算可知，垂直水流向位移：控制段頂部向內(nèi)移量約0.12mm，底部圍巖向左、右偏移約0.1mm；順?biāo)飨蛭灰疲嚎刂贫纬隹谔幭蛳掠纹萍s0.09mm；豎直向位移：控制段頂部前端大梁向下位移約2.2mm，控制段沉降約1.2mm。在竣工期，由于控制段的重心均位于前端，在重力作用下，控制段均向上游偏移0.2mm，由于自重作用，前端大梁由于體型的較后面主梁的要小，所以豎向位移最大。

完建期工況控制段拉應(yīng)力和壓應(yīng)力如圖6—7所示。

圖6 完建期工況控制段拉應(yīng)力(單位：Pa)

圖7 完建期工況控制段壓應(yīng)力(單位：Pa)

完建期工況，控制段極少部位拉應(yīng)力超過1MPa，基本位于閘室角緣處，由應(yīng)力集中所致。閘井上部結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力均低于0.4MPa。閘室底板拉應(yīng)力略大，底板中部下側(cè)有超過0.5MPa的區(qū)域。控制段絕大多數(shù)部位的壓應(yīng)力低于2MPa，閘室前邊墻壓應(yīng)力有超過2MPa的部位，但不超過5MPa。角緣處因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的壓應(yīng)力為9.8MPa，不具代表性。

綜合以上，在竣工期，控制段閘井上部結(jié)構(gòu)的混凝土拉應(yīng)力低于0.2～0.4MPa，閘室底板拉應(yīng)力略大，有超過0.5MPa的部位，但低于1MPa?；炷翂簯?yīng)力僅閘室前室的邊墻和導(dǎo)墻略大，其值在2～5MPa范圍內(nèi)，是由塔體重心位于塔前部所致。

由圖8中通過基底壓力的分布情況可以看到，在完建期工況，由控制段以及弧門自重向基地傳遞下來的豎向力為16210t，水平方向的力為1807t?？刂贫蔚装逯苯优c基巖接觸?；讐毫η闆r如下：前齒槽底1.08MPa，閘室前室底板0.68MPa，閘室中部0.63MPa，閘室后室0.60MPa，后齒槽底0.25MPa。

圖8 完建期工況控制段基巖壓力分布及順?biāo)魍屏拓Q向力(單位：Pa、N)

基巖在干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為1.0～1.2MPa、內(nèi)聚力C為1.4MPa、內(nèi)摩擦角Φ為40.5°。在竣工期，整個(gè)邊坡和基巖無塑性變形發(fā)生，進(jìn)水口混凝土結(jié)構(gòu)基底壓力遠(yuǎn)小于基巖抗壓強(qiáng)度，所以，在完建期工況，基巖具有足夠的承載能力[22- 23]。

3.2 正常運(yùn)行期成果分析

水庫蓄水至正常蓄水位1820m、施加金屬結(jié)構(gòu)及塔頂啟閉設(shè)施重量、浪壓力、風(fēng)壓力、擋水閘門荷載；正常運(yùn)行工況混凝土結(jié)構(gòu)被水淹沒，采用特殊邊界模擬結(jié)構(gòu)被水體淹沒后產(chǎn)生的浮托力，以便可以更加真實(shí)的反應(yīng)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行工況時(shí)，計(jì)算混凝土底板在受到浮拖力后的應(yīng)力狀態(tài)以及基礎(chǔ)底部壓應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)考慮塔體、回填混凝土與圍巖的相互耦合作用以及不同材料間的接觸作用，減少產(chǎn)生不真實(shí)的拉應(yīng)力區(qū)域，以便更真實(shí)的模擬塔體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用[24- 25]。由于篇幅限制，正常運(yùn)用工況下各應(yīng)力云圖不再贅述，控制段各位移和應(yīng)力見表3。

表3 表孔溢洪洞控制段有限元計(jì)算成果表

4 結(jié)語

采用三維有限元法對(duì)阿爾塔什控制段結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算分析研究，主要結(jié)論如下。

(1)完建期和正常運(yùn)行期工況控制段豎向位移最大值分別為1.2mm和2.36mm，底板上、下部混凝土拉應(yīng)力均低于1MPa，角緣處因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過5MPa，不具代表性；由此可見控制段在不同工況下各向位移和應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

(2)通過基底壓力的分布情況可知，完建期和正常運(yùn)行期工況控制段基礎(chǔ)混凝土壓應(yīng)力均遠(yuǎn)小于基巖抗壓強(qiáng)度，由此可見控制段在不同工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)本工程目前已蓄水運(yùn)行，從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果與三維有限元計(jì)算成果基本吻合。表明計(jì)算方法具有較強(qiáng)的適用性和實(shí)用性，可為類似的計(jì)算提供有益參考。