門槽充水對塔式進水口工作性態的影響研究

周小姿，周清勇，郝昌言

（1.上饒市國控水利水電工程建設監理有限公司，江西 上饒 334001；2.江西省水利科學院，江西 南昌 330029）

壩下涵管作為土石壩工程主要輸水建筑物，在水利工程中被廣泛應用。壩下涵管進水口分為斜坡式和塔式。斜坡式進水口優點是建筑物結構簡單、施工方便，由于其臥管內的水流為無壓流，可以使用漿砌石塊、條石來修建，可就地取材，降低造價；其缺點是孔口較多，容易漏水，且閘門運用管理不便，對引水流量不易準確控制。塔式進水口有3種布置方式：第一種布置方式是將塔布置在壩體內靠近壩頂附近，其優點是塔身受風浪、冰凍的影響小，穩定性好，產生不均勻沉陷和斷裂的可能性小，交通橋短，其缺點是由于塔身位于壩體中部，如果塔身與涵管結合處漏水，將會引起壩體滲透變形，而且塔的上游側涵管檢修不便，塔的下游側較短，可能會出現滲徑不足；第二種布置方式是將塔布置在上游壩腳處，其優缺點與上述布置恰恰相反；第三種布置方式是將塔設在前述2 種位置之間，由于這種方式容易造成塔身與斜墻防滲體結合部的漏水，因此這種方式不適用于斜墻壩[1-4]。

在進行工程設計時，如果檢修平臺高程低于設計洪水位和校核洪水位，當啟閉豎井塔柱結構遭遇設計洪水位甚至校核洪水位時，豎井內工作門槽及檢修門槽將會充水，此時結構受力狀態與常水位下存在差異，需要進行專項討論[5，6]。本文采用有限元法對某工程壩下涵管進水口啟閉豎井進行仿真分析，通過合理的分組劃分豎井結構單元，充分考慮工程在不同運行工況不同水位下承載面的差異，系統分析門槽充水對壩下涵管塔式進水口工作性態的影響，以期為進水口啟閉豎井施工設計提供可靠的理論依據。

1 工程概況

某工程主要擋水建筑物為土石壩，壩下涵管進口啟閉豎井布置在壩體上游基巖上。工程檢修平臺高程76.60 m，啟閉平臺高程80.80 m，正常蓄水位76.31 m，50 a 一遇設計洪水位77.13 m，1 000 a 一遇校核洪水位77.60 m。當壩前水位超過檢修平臺時，水將沿著檢修平臺進入檢修門槽及工作門槽，此時豎井結構將面臨塔柱充水工況。

根據該工程壩下涵管進口啟閉豎井布置形式，建立包括啟閉豎井塔柱結構、門槽二期混凝土、閘門、通氣孔、啟閉機平臺及頂部啟閉機房模型，如圖1 所示。模型共分8 組，節點數35 613 個，單元數28 584個，全部單元采用八節點六面體。

圖1 某工程壩下涵管進口啟閉豎井模型

2 材料參數及計算工況

2.1 材料參數

模型按設計圖紙進行材料分區，仿真計算材料參數按照工程設計報告結合《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）混凝土標號建議值進行取值，詳見表1。

表1 材料參數

2.2 仿真計算工況

本文主要圍繞門槽充水對壩下涵管塔式進水口工作性態的影響展開研究。計算時在地基兩側施加法向固定約束，地基底部施加三向固定約束。仿真工作閘門運行工況及檢修閘門運行工況下正常蓄水位及校核洪水位時塔式豎井結構的工作性態，詳見表2。

表2 塔式豎井結構工作性態

3 仿真結果分析

3.1 位移結果影響分析

塔式進水口啟閉豎井結構各工況位移計算結果云圖，如圖2—5所示。

圖2 工況1位移分布

圖3 工況2位移分布

圖4 工況3位移分布

圖5 工況4位移分布

從圖2—5 可以看出，各工況下結構位移分布規律基本一致，檢修閘門運行工況相對工作閘門運行工況位移更小。校核洪水位下，檢修閘門門槽及工作閘門門槽內充滿水體，此時結構各向位移均小于正常蓄水位工況，因此門槽充水對結構的穩定性具有增強作用。

3.2 應力結果影響分析

不同工況下啟閉豎井結構主拉應力分布，如圖6 所示。從圖6 可以看出，結構主拉應力均較小，且遠遠小于《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）中C30 素混凝土強度標準值2.01 MPa，由此得出結構安全裕度較高。其中，啟閉豎井整體主拉應力最大值位于啟閉機梁底部；塔柱結構主拉應力最大值位于76.60 m平臺檢修閘門門槽二期混凝土處。

圖6 啟閉豎井結構主拉應力分布

塔式豎井結構工作性態分析結果最大值匯總，詳見表3。由表3可知，工作閘門運行工況與檢修閘門運行工況下結構應力分布規律一致，且主拉應力數值基本相同。校核洪水位下，檢修閘門門槽及工作閘門門槽內充滿水體，此時結構主拉應力小于正常蓄水位工況，因此門槽充水對結構的安全裕度具有增強作用。

表3 塔式豎井結構工作性態最大值匯總

4 結語

本文采用有限元法對某工程進行仿真分析，明確工作閘門運行工況及檢修閘門運行工況下塔式進水口豎井結構的工作性態，分析門槽充水對塔式進水口工作性態的影響。研究結果表明，各工況下結構位移和應力分布規律基本一致，且數值均較小，結構安全裕度較大。校核洪水位下，檢修閘門門槽及工作閘門門槽內充滿水體，此時結構位移及主拉應力均小于正常蓄水位工況，因此門槽充水對結構的穩定性和安全裕度具有增強作用，但在設計時需對啟閉機在門槽充水時的啟閉能力進行重點復核。