馬 杰，姚 穎，周 雪，張建海，趙文光，尹華安

(1. 四川大學(xué) 水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)與保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065； 中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

溪洛渡水電站拱壩的孔口布置采用了在12號(hào)至19號(hào)壩段布置7個(gè)表孔和8個(gè)深孔，以及10個(gè)導(dǎo)流底孔的方案。

3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)流底孔位于410m高程，洞身斷面5m×11m(寬×高)，出口設(shè)弧形閘門。出口閘墩最大懸臂長(zhǎng)度約27.36m，閘墩最小厚度4.5m，閘墩外側(cè)以與孔軸線3°的偏移量過渡到壩面。支撐大梁尺寸選定為5.0m×6.0m×5.2m(寬×高×厚)，沿厚度方向以4.76°的角度向內(nèi)側(cè)切角。懸臂結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力錨索，分主次錨索兩種。主錨索(3 000kN)沿推力方向(向外側(cè)旋轉(zhuǎn)1°)在閘墩內(nèi)布置4排，由內(nèi)往外首排距閘墩內(nèi)側(cè)邊緣1.20m，間距依次為0.30m、0.40m、0.30m，為環(huán)形布置對(duì)拉錨索；次錨索(上游2 000kN，下游3 000kN)施加于支鉸大梁兩端，沿推力方向布置2排，靠上游側(cè)一排設(shè)置3根，靠下游側(cè)一排設(shè)置5根，為直線布置對(duì)拉錨索。具體布置見圖1和圖2。

2 研究目的及原理

2.1 研究目的

由于拱壩整體應(yīng)力水平較高，尤其是導(dǎo)流底孔位于壩體底部，在高應(yīng)力區(qū)開設(shè)孔口，孔口附近會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中或較高的拉應(yīng)力，進(jìn)而形成局部裂縫，對(duì)大壩的安全性造成不利影響[1]。導(dǎo)流底孔在封堵時(shí)，承受水頭達(dá)200m，應(yīng)力較大?？卓谶^流時(shí)，受較低水溫的影響，溫度應(yīng)力也較為突出[2]。另外3號(hào)、4號(hào)底孔由于運(yùn)行要求，出口設(shè)弧門結(jié)構(gòu)，閘墩懸挑長(zhǎng)度近30m，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。鑒于工程的重要性及問題的復(fù)雜性，對(duì)溪洛渡拱壩導(dǎo)流底孔閘墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析十分重要。

圖1 溪洛渡拱壩3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)流底孔預(yù)應(yīng)力閘墩剖面示意

圖2 大梁部位剖面

當(dāng)弧門開度Kd=0，弧門擋水后受到的巨大的水推力要通過弧形閘門的支臂傳給弧門支承結(jié)構(gòu)，其傳力路徑為：水壓力→弧門面板→弧門支臂→弧門支座→閘墩→壩體[3]。同時(shí)閘門的啟閉力、閘墩預(yù)應(yīng)力和流道溫度荷載，最終均傳給壩體。因此閘墩和環(huán)形錨索附近壩體的應(yīng)力狀態(tài)成為關(guān)注重點(diǎn)。

2.2 次錨索的模擬

3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)流底孔預(yù)應(yīng)力閘墩的次錨索為直線型對(duì)拉錨索，上游側(cè)錨索預(yù)應(yīng)力為2 000kN，下游側(cè)的預(yù)應(yīng)力為3 000kN。對(duì)次錨索施加預(yù)應(yīng)力時(shí)采用等效荷載法[4]，將次錨索模擬為桿單元，在錨索兩端施加一對(duì)與預(yù)應(yīng)力大小相等、方向相反且與錨索方向平行的集中力。這樣，通過預(yù)應(yīng)力錨索在閘墩內(nèi)部產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力抵消了弧門推力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使得最大拉應(yīng)力降低到設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)[5]。

2.3 主錨索的模擬

3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)流底孔預(yù)應(yīng)力閘墩的主錨索為環(huán)形對(duì)拉錨索，預(yù)應(yīng)力為3 000kN。與兩端固定的直線型錨索不同，環(huán)形錨索內(nèi)側(cè)纏繞在圓環(huán)上。本次計(jì)算將錨索對(duì)固定環(huán)的壓力作用分解在若干個(gè)節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)行等效荷載移置。

如圖3所示的環(huán)形錨索，設(shè)錨固噸位為T，固定半環(huán)的半徑為r，則環(huán)段鋼索作用于半環(huán)的壓力P可如下計(jì)算：

dT=Psinθ·rdθ

(1)

(2)

圖3 環(huán)形錨索的等效計(jì)算

P=T/r

(3)

對(duì)于環(huán)錨的兩段直線部分，如圖3中的AB段和CD段，模擬方法與直線型錨索相同。

本次計(jì)算取dθ=30°。

3 計(jì)算模型(見圖4)

3.1 計(jì)算范圍

溪洛渡拱壩三維有限元計(jì)算范圍橫河向以拱壩中心線為界，左、右岸分別向山里延伸530m，共計(jì)1 060m；順河向以拱壩軸線為界，上游取170m，下游取540m，共計(jì)710m；鉛直向底面取至0m高程，頂部取至610m高程。計(jì)算域共離散為168 990個(gè)節(jié)點(diǎn)和158 439個(gè)單元，計(jì)算域各邊界切開面均取法向位移約束。有限元計(jì)算坐標(biāo)系定義為：

X軸：橫河向，由右岸山里水平指向左岸，軸線方位N41.8°E；

Y軸：順河向，由下游水平指向上游，軸線方位N48.2°W；

Z軸：鉛直向上，由底面指向山頂。

圖4 溪洛渡拱壩三維有限元模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

(1)自重：大壩混凝土容重取24kN/m3。

(2)靜水壓力：水重度取9.81kN/m3。

(3)溫度荷載：設(shè)計(jì)溫升及設(shè)計(jì)溫降的均勻溫度和線性溫度見表1。壩體混凝土線膨脹系數(shù)：1.0×10-5/℃。

(4)弧門推力：如圖5所示，弧門開度Kd=0時(shí)，弧門推力N=22 130kN，閘門啟閉力S1=250kN。

(5)3號(hào)～4號(hào)閘墩預(yù)應(yīng)力：閘墩主預(yù)應(yīng)力錨索為3 000kN，上游側(cè)3根次預(yù)應(yīng)力錨索2 000kN，下游側(cè)5根次預(yù)應(yīng)力錨索3 000kN。

(6)巖體及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)：見表2。

表1 設(shè)計(jì)高程封拱溫度及溫度荷載 ℃

注：Tm表示均勻溫度；Td表示等效線性溫差。

表2 壩區(qū)各類巖體力學(xué)指標(biāo)計(jì)算采用值

圖5 弧門推力和閘門啟閉力示意

3.3 計(jì)算工況

本次研究選取對(duì)閘墩結(jié)構(gòu)最不利的下閘封堵期，此時(shí)1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)、6號(hào)孔由平板門擋水，3號(hào)、4號(hào)孔由弧形門擋水，荷載組合N+S1均施加，壩體澆筑高程610m，上游水位465m，下游水位332m，溫度荷載只考慮流道過水，水溫帶來的溫降ΔT=-8℃(影響范圍12m)，閘墩預(yù)應(yīng)力已施加。

3.4 剖面位置定義(見圖6)

圖6 3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)流底孔剖面示意

4 計(jì)算結(jié)果及分析

由于3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)流底孔對(duì)稱分布，故只需計(jì)算對(duì)稱結(jié)構(gòu)的一半即可以反映出整個(gè)預(yù)應(yīng)力閘墩的應(yīng)力狀態(tài)。另外弧門推力的作用對(duì)深孔結(jié)構(gòu)上游懸臂應(yīng)力狀況的影響不大，但對(duì)深孔下游懸臂的應(yīng)力有較大的影響[6]。故本文僅以3號(hào)孔為例分析出口閘墩段、環(huán)形錨索附近壩體以及支鉸大梁的應(yīng)力狀態(tài)。

4.1 出口閘墩段應(yīng)力分析

3號(hào)孔出口閘墩段剖面18、19主應(yīng)力等值線如圖7、8所示。可見，弧門開度Kd=0時(shí)，閘墩大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力極值為2.5MPa，出現(xiàn)在閘墩根部410m高程附近；在大梁附近區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，壓應(yīng)力極值約為3.0MPa。在閘墩頂面中部有極值為0.6MPa的拉應(yīng)力，流道出口底部拉應(yīng)力極值約為1.0MPa，在靠近大梁部位出現(xiàn)小范圍拉應(yīng)力區(qū)，極值約為1.2MPa。

4.2 環(huán)形錨索附近壩體應(yīng)力分析

如圖7、8所示，流道溫降-8℃，施加弧門水推力時(shí)沿環(huán)形錨索區(qū)域外側(cè)剖面(剖面18)主壓應(yīng)力極值為2.0MPa，位于流道出口415m高程處；主拉應(yīng)力極值為1.4MPa，位于410m高程環(huán)形錨索外側(cè)。與外側(cè)剖面應(yīng)力分布類似，內(nèi)側(cè)剖面(剖面19)主壓應(yīng)力極值為2.0MPa，位于出口415m高程處；主拉應(yīng)力極值為1.4MPa，位于410m高程環(huán)形錨索附近。

4.3 支鉸大梁應(yīng)力分析

由3號(hào)孔支鉸大梁剖面3(見圖9)主應(yīng)力等值線圖可見，在支鉸作用處有明顯的應(yīng)力集中，壓應(yīng)力極值為5.0MPa，在大梁下游側(cè)出現(xiàn)了極值為1.1MPa的拉應(yīng)力區(qū)。由剖面4(見圖10)主應(yīng)力分布可以看出，閘墩部位預(yù)應(yīng)力錨索附近區(qū)域局部應(yīng)力集中，壓應(yīng)力極值為2.2MPa，在閘墩大梁轉(zhuǎn)角處則出現(xiàn)極值為1.5MPa的拉應(yīng)力集中。

圖7 3號(hào)孔出口閘墩段剖面18主應(yīng)力等值線

圖8 3號(hào)孔出口閘墩段剖面19主應(yīng)力等值線

圖9 3號(hào)孔支鉸大梁剖面3主應(yīng)力等值線

5 結(jié) 論

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，分析 3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)流底孔出口閘墩懸臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，可得以下結(jié)論：

(1)出口閘墩段大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力極值為3.0MPa，僅在閘墩頂面、流道出口底部和靠近大梁的局部范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為1.2MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 3號(hào)孔支鉸大梁剖面4主應(yīng)力等值線

(2)對(duì)比環(huán)形錨索附近壩體內(nèi)、外側(cè)剖面的應(yīng)力狀態(tài)，可見環(huán)形錨索對(duì)壩體應(yīng)力的影響較小，環(huán)形錨索附近壩體最大壓應(yīng)力為2.0MPa，最大拉應(yīng)力為1.4MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)支鉸大梁由于受到最大水推力作用，在支鉸作用處有明顯的應(yīng)力集中，壓應(yīng)力極值為5.0MPa；在大梁下游側(cè)和大梁轉(zhuǎn)角處局部出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力達(dá)1.5MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)整體來看，出口閘墩段、環(huán)形錨索附近壩體以及支鉸大梁絕大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，說明預(yù)應(yīng)力錨索達(dá)到了預(yù)期效果，導(dǎo)流底孔預(yù)應(yīng)力閘墩懸臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的。

[1] 朱雙林，常曉林. 拱壩壩體及孔口有限元仿真分析[J]. 水科學(xué)與工程技術(shù)，2005(1)：9-12.

[2] 許樸，朱岳明. 寶應(yīng)泵站肘形進(jìn)水流道混凝土溫度應(yīng)力仿真分析[J]. 水利水電科技進(jìn)展，2007，27(5)：56-58.

[3] 楊曉紅. 高拱壩泄洪孔支承結(jié)構(gòu)工作形態(tài)分析[D].南京： 河海大學(xué)，2005.

[4] 劉烈坤，傅少君，等. 小灣拱壩放空底孔預(yù)應(yīng)力閘墩三維有限元分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2009，42(3)：340-343.

[5] 李守義，郭曉晶，等. 預(yù)應(yīng)力錨固閘墩有限元分析研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào)，2007，18(6)：35-38.

[6] 李林峰，葉林，等. 拱壩壩身泄水深孔懸臂結(jié)構(gòu)研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào)，2009，20(6)：140-144.