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        古學(xué)水電站尾水渠結(jié)構(gòu)型式研究

        2014-08-29 01:24:08劍,
        四川水力發(fā)電 2014年5期
        關(guān)鍵詞:混凝土結(jié)構(gòu)

        梁 劍, 黃 小 春

        (中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 ,湖北 宜昌 443002)

        1 概 述

        古學(xué)水電站位于四川省甘孜州得榮縣境內(nèi),為金沙江左岸一級(jí)支流定曲河鄉(xiāng)城、得榮段梯級(jí)開發(fā)中的第八級(jí)水電站。古學(xué)水電站為三等中型工程,采用引水式開發(fā)方式。工程樞紐由攔河壩、左岸引水系統(tǒng)、岸邊式地面廠房等建筑物組成。其中主廠房尺寸為53.3 m×21 m×40.2 m(長×寬×高),主副廠房及GIS樓呈“一”字型并排布置,廠內(nèi)安裝兩臺(tái)單機(jī)容量為45 MW的水輪發(fā)電機(jī)組,機(jī)組安裝高程為2 112 m。

        古學(xué)水電站廠址位于得榮縣古學(xué)鄉(xiāng)卡日共村上游350 m處的定曲河左岸一級(jí)階地上。階地沿河呈條帶狀分布,寬17~30 m,地勢(shì)相對(duì)狹窄。場(chǎng)地內(nèi)側(cè)公路以上地表基巖裸露,山勢(shì)陡峻,為順向坡,天然狀態(tài)下岸坡穩(wěn)定,受坡腳開挖影響存在變形失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。廠址處河道對(duì)岸亦為條帶狀一級(jí)階地,寬8~15 m,右岸山體風(fēng)化破碎帶深厚且存在變形跡象。因此,廠址兩岸均不宜大范圍開挖,廠房布置條件十分有限。

        由于廠址階地地形狹窄,若尾水渠侵占部分天然河道,束窄定曲河河道行洪斷面,必將加大河道水流流速,該水流將對(duì)右岸河岸造成較為嚴(yán)重的沖刷,嚴(yán)重影響右岸山體的安全。因此,受廠址地形地質(zhì)條件的制約,尾水渠結(jié)構(gòu)型式的選擇至關(guān)重要。

        2 尾水渠地質(zhì)條件

        擬建的尾水渠場(chǎng)地范圍內(nèi)均為第四系堆積物覆蓋,厚約19.5~42 m,從上往下可分為三層:第一層為人工造田填筑砂土層,厚1~3 m,結(jié)構(gòu)松散;第二層為沖洪積物,厚4.2~10.5 m,稍密~中密,主要為含漂、卵礫石層,間隙充填粘性土及粉細(xì)砂,漂、卵、礫石含量約為75%,砂土含量約為25%;第三層為沖洪積物,厚22~36.5 m,主要由卵礫石、粗礫砂組成,夾有少量漂石,次磨圓狀,結(jié)構(gòu)為中密~密實(shí)。

        3 結(jié)構(gòu)型式的擬定與選擇

        基于尾水渠地形地質(zhì)條件,我們擬定了兩個(gè)尾水渠布置方案進(jìn)行比較。

        方案一(開敞式尾水渠方案):尾水渠底寬22.14 m,底板以1∶4的縱向反坡與天然河道銜接,尾水管出口高程為2 114.5 m,中軸線總長26.1 m,尾水渠渠底采用0.4 m厚的鋼筋混凝土板護(hù)面,兩側(cè)為扶壁式鋼筋混凝土擋土墻,墻頂寬度為1 m,最大墻高20.54 m(圖1)。

        圖1 開敞式尾水渠方案示意圖(方案一,單位:m)

        方案二(箱涵式尾水渠方案):采用雙箱式尾水箱涵布置型式,縱向長8 m,橫向?qū)?4.266 m,高19.35 m,兩側(cè)邊墻為梯形斷面,頂寬1.5 m,底寬4 m,中隔墻為矩形斷面,寬2 m,底板厚2.75 m,箱涵后接尾水渠,寬17.2 m,中軸線長10.15 m,縱向坡度i=0,兩側(cè)為混凝土擋墻,最大高度為7.55 m,如圖2所示。

        圖2 箱涵式尾水渠方案示意圖(方案二,單位:m)

        在與開敞式尾水渠方案比較后可知,箱涵式尾水渠方案有效縮短了尾水渠長度,侵占天然河道少,對(duì)定曲河河道行洪影響小。

        鑒于尾水渠基礎(chǔ)座落于卵礫石、粗礫砂組成的沖洪積物層上,結(jié)構(gòu)中密~密實(shí)。方案一采用高扶壁式鋼筋混凝土擋墻結(jié)構(gòu)型式,由于其高度大,擋墻斷面尺寸較大,對(duì)地基要求較高。方案二采用整體箱涵結(jié)構(gòu)型式,結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)地基變形能力強(qiáng),整體穩(wěn)定性好。

        兩方案導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)相同,根據(jù)廠址地形地質(zhì)條件及水工建筑物布置特點(diǎn),在采用方案一時(shí),廠房分兩期施工,一期采用全年圍堰進(jìn)行主副廠房及安裝間施工;二期采用枯水期圍堰進(jìn)行尾水渠施工。方案二可以在一期全年圍堰內(nèi)施工,工期安排合理,減少了導(dǎo)流建筑物工程量,簡化了施工導(dǎo)流程序。

        另外,方案二可利用箱涵頂板布置廠區(qū)道路,使廠區(qū)形成更加便捷的環(huán)形交通。

        綜上所述,古學(xué)水電站最終選用了箱涵式尾水渠方案。

        4 結(jié)構(gòu)分析

        尾水箱涵結(jié)構(gòu)布置情況見圖3。

        4.1 計(jì)算力學(xué)模型及計(jì)算方法

        我們對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維有限元法計(jì)算。箱涵結(jié)構(gòu)按1∶1原型建模,地基考慮了10 m深的覆蓋層以及10 m厚的基巖,基礎(chǔ)上、下游及兩側(cè)面分別延伸20 m。地基的底部為三向約束(X、Y、Z方向均固定)的固定邊界面,地基的四個(gè)側(cè)面為單向法向約束面,地基上部結(jié)構(gòu)各邊界面均為自由面。

        總體結(jié)構(gòu)的平衡方程為:

        (1)

        對(duì)于每一個(gè)桿件,其桿端內(nèi)力為:

        圖3 尾水箱涵結(jié)構(gòu)圖(單位:m)

        (2)

        式中PI,PJ為桿端內(nèi)力;UI,UJ為桿端變位;I,J為點(diǎn)號(hào);上角碼m表示桿號(hào);下角碼P表示固端內(nèi)力;[K]m為桿件單元?jiǎng)偠染仃嚒?/p>

        4.2 基本資料

        (1)箱涵混凝土及墻后填土參數(shù)見表1。

        表1 箱涵混凝土及墻后填土參數(shù)表

        (2)地震參數(shù)。

        地震動(dòng)峰值加速度為110 cm/s2,工程設(shè)計(jì)烈度為Ⅶ度,采用擬靜力法計(jì)算地震作用效應(yīng)。

        4.3 計(jì)算工況及相應(yīng)荷載組合

        尾水箱涵計(jì)算工況及相應(yīng)荷載組合見表2。

        荷載施加情況見圖4。

        4.4 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

        通過計(jì)算得到的各工況基底及各方向最大應(yīng)力分布情況如圖5所示。

        結(jié)構(gòu)正應(yīng)力大小及分布情況見表3。

        表2 尾水箱涵計(jì)算工況及荷載組合表

        圖4 荷載施加示意圖

        4.5 配筋計(jì)算

        根據(jù)線彈性應(yīng)力圖形法配筋計(jì)算原則,當(dāng)截面在配筋方向的正應(yīng)力圖形偏離線性較大時(shí),受拉鋼筋截面面積計(jì)算公式為:

        圖5 基底及各方向最大應(yīng)力分布圖

        表3 結(jié)構(gòu)正應(yīng)力大小及分布表

        表4 尾水箱涵結(jié)構(gòu)配筋表 /mm2

        (3)

        T=Ab

        (4)

        Tc=Actb

        (5)

        式中T為主拉應(yīng)力在配筋方向上形成的總拉應(yīng)力;Tc為混凝土承受的拉力。

        根據(jù)三維有限元法計(jì)算結(jié)果得到的尾水箱涵不同部位的鋼筋配置情況見表4。

        古學(xué)水電站廠區(qū)地形狹窄,廠房基礎(chǔ)位于深厚覆蓋層基礎(chǔ)上,尾水出流采用箱涵式尾水渠結(jié)構(gòu),縮短了尾水渠長度, 減少了對(duì)河道行洪斷面的影響,同時(shí)簡化了施工導(dǎo)流程序,對(duì)類似工程尾水渠布置型式具有一定的參考意義。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范,SL266-2001[S].

        [2] 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,DL/T 5057-2009[S].

        [3] 曾 攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

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