孫 斌,彭睿哲,賀智安

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)05—0036—03

某導(dǎo)流洞閘室門(mén)槽結(jié)構(gòu)截面承載力分析

孫 斌,彭睿哲,賀智安

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

隨著平板閘門(mén)擋水水頭的增加，閘門(mén)門(mén)槽受力越來(lái)越大，但是門(mén)槽的斜截面承載力計(jì)算規(guī)范中并未給出具體的計(jì)算方法，致使工程設(shè)計(jì)缺乏依據(jù)。以某水電站導(dǎo)流洞閘室門(mén)槽為例，首先采用ANSYS軟件對(duì)閘門(mén)門(mén)槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算，其次對(duì)門(mén)槽的局部受壓及斜截面承載力進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算得出閘門(mén)門(mén)槽結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

平板閘門(mén)；門(mén)槽；有限元法模擬；局部受壓；斜截面承載力

0 前 言

隨著中國(guó)水利水電事業(yè)的發(fā)展，大壩的高度也相繼增加，平板閘門(mén)門(mén)槽受力也越來(lái)越大，中國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中第13.15章節(jié)規(guī)定了平面閘門(mén)門(mén)槽結(jié)構(gòu)計(jì)算的要求，但是其中13.15.2條規(guī)定“閘門(mén)門(mén)槽高度每延米受載大于2 000 kN時(shí)，應(yīng)對(duì)閘門(mén)門(mén)槽混凝土斜截面承載力進(jìn)行復(fù)核”，但是沒(méi)有提到具體的復(fù)核計(jì)算方法及公式，因此對(duì)于設(shè)計(jì)者進(jìn)行門(mén)槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)設(shè)計(jì)依據(jù)可言。本文以某水電站導(dǎo)流洞閘室結(jié)構(gòu)為例，針對(duì)門(mén)槽結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算，并且重點(diǎn)對(duì)其斜截面承載力復(fù)核進(jìn)行了分析計(jì)算。

1 工程概況

該水電站采用隧洞導(dǎo)流，導(dǎo)流量Q10%=3 470 m3/s。隧洞長(zhǎng)度1 196.89 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸13 m×17 m(長(zhǎng)×寬)，最大開(kāi)挖斷面尺寸23 m×23.5 m(長(zhǎng)×寬)，其中閘室段最大開(kāi)挖寬度為23.5 m。閘門(mén)采用豎井式閘門(mén)井，閘門(mén)井門(mén)槽中心線位于導(dǎo)流洞樁號(hào)導(dǎo)0+450.00 m處，閘門(mén)豎井開(kāi)挖高度約50.25 m，閘室結(jié)構(gòu)尺寸：長(zhǎng)×寬×高=67.5 m×23.0 m×73.75 m，圍巖類(lèi)別為Ⅳ和Ⅲ2類(lèi)，閘室結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 閘室水平截面圖 單位：cm；樁號(hào)，m

2 計(jì)算模型、參數(shù)及工況

2.1 計(jì)算模型

建立以地基、閘室和豎井作為整體結(jié)構(gòu)的三維有限元仿真計(jì)算模型，模型的坐標(biāo)原點(diǎn)取導(dǎo)流洞中心線鉛直面、導(dǎo)0+450.00 m樁號(hào)鉛直面以及2 598.75 m高程水平面的三平面交點(diǎn)。X軸為順流向，其正向指向下游，Y軸為垂直水流向，指向左側(cè)(面向下游)為正；Z軸沿鉛垂向，向上為正。計(jì)算模型絕大部分采用solid 65六面體塊單元，局部采用四面體三棱柱單元過(guò)渡，閘室地基四周采用法相約束，底面采用三相約束，閘室整體和門(mén)槽附件網(wǎng)格見(jiàn)圖2和3。

圖2 閘室結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

本次計(jì)算所采用的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 混凝土及基巖物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 計(jì)算工況及荷載

根據(jù)導(dǎo)流洞閘室使用工況要求，本次計(jì)算對(duì)閘室結(jié)構(gòu)在下閘封堵期工況(控制工況)進(jìn)行了三維有限元計(jì)算，具體見(jiàn)表2。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力分析

當(dāng)閘門(mén)受到水壓力作用時(shí)，閘門(mén)將水壓力傳遞到兩側(cè)門(mén)槽上，因此了解閘門(mén)門(mén)槽結(jié)構(gòu)受力后應(yīng)力分布情況很重要，本次主要對(duì)閘室門(mén)槽結(jié)構(gòu)及底部截面進(jìn)行應(yīng)力分析，3個(gè)方向的正應(yīng)力極值及發(fā)生部位見(jiàn)表3。

表2 計(jì)算工況表

表3 門(mén)槽正應(yīng)力的極值及發(fā)生部位表

圖3 閘室門(mén)槽附件網(wǎng)格圖

3.2 門(mén)槽結(jié)構(gòu)局部受壓承載力計(jì)算

(1) 按照DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中第13.15章節(jié)規(guī)定首先應(yīng)該按8.4章節(jié)規(guī)定對(duì)門(mén)槽二期混凝土進(jìn)行局部受壓承載力的驗(yàn)算，本次計(jì)算取門(mén)槽底部單位高度作為研究對(duì)象，計(jì)算結(jié)果如下：

F1=γQF=4128.08 kN

=6140.33 kN

式中：F1為局部受壓面上作用的局部荷載或者局部壓力設(shè)計(jì)值,kN；Al為局部受壓面積,m2；γd為素混凝土結(jié)構(gòu)受壓破壞的結(jié)構(gòu)系數(shù)，取γd=1.3；ω為荷載分布的影響系數(shù)，取ω=1；βl為混凝土局部受壓時(shí)強(qiáng)度提高系數(shù)；Ab為混凝土局部受壓時(shí)的計(jì)算底面積,m2;可根據(jù)局部受壓面積與計(jì)算底面積同心對(duì)稱(chēng)的原則確定。

(2) 從圖3和表3中可以看出門(mén)槽下游側(cè)混凝土承受的X向(順?biāo)鞣较?最大壓應(yīng)力為4.614 MPa，小于C30混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值14.3 MPa，因此門(mén)槽二期混凝土局部受壓承載力也滿(mǎn)足要求。

3.3 門(mén)槽結(jié)構(gòu)斜截面承載力計(jì)算

針對(duì)門(mén)槽結(jié)構(gòu)的斜截面承載力復(fù)核計(jì)算，目前在DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中無(wú)法找到具體的計(jì)算方法和公式，因此本文采用目前工程實(shí)踐中使用較廣泛的承載能力極限狀態(tài)法對(duì)門(mén)槽結(jié)構(gòu)斜截面承載力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

根據(jù)DL 5108—1999《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》9.3.5條所列公式進(jìn)行斜截面承載力計(jì)算時(shí)，按二期混凝土可能開(kāi)裂滑動(dòng)的最大角度進(jìn)行計(jì)算(本工程θmax=60°)，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4所示。

圖4 門(mén)槽混凝土斜截面承載力計(jì)算簡(jiǎn)圖

通過(guò)計(jì)算得出：

γ0φ∑Pc=0.90×0.95×3574.92

=3056.56 kN

=3608.04 kN

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，可取γ0=0.9；φ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，對(duì)應(yīng)于持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，應(yīng)分別取為1.0、0.95及0.85； ∑Pc為由荷載設(shè)計(jì)值在計(jì)算截面上產(chǎn)生的切向分力之和，kN；∑Pc=Flcosθ-Nlsinθ；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，γd=1.2；fc′為計(jì)算截面混凝土抗剪斷摩擦系數(shù)，fc′值取1.1；cc′為計(jì)算截面混凝土抗剪斷凝聚力； ∑Wc為由荷載設(shè)計(jì)值在計(jì)算截面上產(chǎn)生的法向分力之和，kN，∑Wc=Flcosθ-Nlsinθ;Ac為門(mén)槽1 m高度的斜截面AB的計(jì)算截面面積，m2;θ為AB與EB面的夾角；Fl為閘門(mén)每側(cè)沿門(mén)槽高度1 m作用于導(dǎo)軌上的法向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN;Nl為閘門(mén)每側(cè)沿門(mén)槽高度1 m作用于導(dǎo)軌上的切向壓力標(biāo)值，本工程門(mén)槽沒(méi)有切向壓力作用，kN。

通過(guò)閘室門(mén)槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖結(jié)果可以看出：門(mén)槽二期混凝土下游側(cè)承受閘門(mén)傳遞的水推力，此部位X向(順?biāo)鞣较?正應(yīng)力主要為壓應(yīng)力；二期混凝土下游側(cè)受壓使門(mén)槽內(nèi)側(cè)混凝土產(chǎn)生X向(順?biāo)鞣较?的拉應(yīng)力。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)三維有限元計(jì)算了閘室門(mén)槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并用壓應(yīng)力復(fù)核了結(jié)構(gòu)局部承壓力，同時(shí)還用工程常用的簡(jiǎn)易方法分析了門(mén)槽結(jié)構(gòu)斜截面承載力，通過(guò)計(jì)算得出的閘門(mén)門(mén)槽結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

[1] DL/T5057-2009,水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2] DL 5108-1999,混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2000.

[3] 李圍.ANSYS土木應(yīng)用實(shí)例[M].2版.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

[4] 李傳才.水工混凝土結(jié)構(gòu)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2001.

[5] 吳松峰.閘門(mén)門(mén)槽受剪切性能試驗(yàn)研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2009：1-7.

Analysis on Bearing Capacity of Slot Structural Section of Gate Chamber of Diversion Tunnel

SUN Bin, PENG Rui-zhe, HE Zhi-an

(POWERCHINA Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065, China)

With increase of water head to be retained by flat gate, action on the gate slot increases accordingly. But the specific calculation method for the bearing capacity of the inclined section of the gate slot is not available in the code so that no basis on the engineering design can be relied one. With the case of gate slot of the gate chamber of one diversion tunnel, the stress of the gate structure is calculated by application of ANSYS software. Then, the local pressure of the gate slot and the bearing capacity of the inclined section are calculated respectively. These calculations prove the structure of the gate slot satisfy design requirements. Key words:flat gate; gate slot; finite element simulation; locally pressed; bearing capacity of inclined section

2015-07-23

孫斌(1985- )，男，陜西省三原縣人，助理工程師，主要從事水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)工作.

TV663.1；TV672.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.010