郭德昌/中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

燈泡貫流式水電站廠房流道結(jié)構(gòu)計(jì)算探析

郭德昌/中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

本文通過(guò)對(duì)比分析闡述了燈泡貫流式水電站廠房下部流道結(jié)構(gòu)計(jì)算方法及代表截面選取的原則，建議了結(jié)構(gòu)與地基相互作用模型，通過(guò)工程實(shí)踐印證了方法的可行性及技術(shù)性。

流道結(jié)構(gòu)；彈性地基；內(nèi)力計(jì)算

前言

開(kāi)發(fā)利用低水頭水力資源一般選擇貫流式水電站，燈泡貫流式機(jī)組是大中型貫流式水電站應(yīng)用最廣泛的機(jī)組型式[1]。根據(jù)其廠房結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，其下部流道軸向貫通，順?biāo)虬ㄟM(jìn)口段、中段及尾水段；主要結(jié)構(gòu)形式為大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，流道斷面較大。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范要求根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行截面配筋計(jì)算，因此如何科學(xué)、合理的選擇代表斷面顯得尤為突出；且結(jié)構(gòu)與地基的相互作用如何模擬亦成為類(lèi)似問(wèn)題的關(guān)鍵。

1.典型部位的選取

1.1止水布置

文獻(xiàn)[2]中從節(jié)約工程投資角度推薦利用下游水壓進(jìn)行抵消內(nèi)水作用的布置方案。因廠房?jī)?nèi)部對(duì)防滲要求較高，為提高防水的保障性，建議上、下游豎向止水錨入基礎(chǔ)，底板上部增加水平向止水，與上、下游豎向止水有效搭接。

1.2計(jì)算假定

1.2.1流道結(jié)構(gòu)差異較大，順?biāo)飨蚍诌M(jìn)口段、中段及尾水管段，進(jìn)口段和尾水管段各部位內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題考慮，即沿順?biāo)鞣较蚯谐鰡挝粚挾葹橛?jì)算對(duì)象。進(jìn)口段上部擋水墻厚度較大，結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較大，簡(jiǎn)化為倒置框架進(jìn)行分析；尾水管段按彈性地基上的框架進(jìn)行分析。

1.2.2結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料為均質(zhì)彈性體，計(jì)算時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)剛性和剪切變形的影響。

1.3典型剖面的選取

廠房下部結(jié)構(gòu)受力沿順?biāo)鞣较虼嬖趲讉€(gè)控制點(diǎn)或突變點(diǎn)，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)斷面選取一般考慮下列因素：1.3.1底板上下游端部處于地基應(yīng)力的兩個(gè)極值，可能控制底板配筋；

1.3.2止水前后位置閘墩內(nèi)外可能承受的水壓力不同，可能控制閘墩、底板配筋；

1.3.3閘門(mén)前后位置不同工況可能承受的水壓力不同，可能控制底板配筋。

1.4計(jì)算工況及荷載

依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范及實(shí)際條件進(jìn)行確定。

2.結(jié)構(gòu)與地基的相互作用

2.1彈性地基上框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法

結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)間通過(guò)鏈桿進(jìn)行聯(lián)接，本質(zhì)思路是將連續(xù)支撐于基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為有限個(gè)鏈桿支撐于基礎(chǔ)上的梁，使無(wú)窮多次超靜定結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為有限多次超靜定結(jié)構(gòu)。隨著工程實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展，沈英武[3]結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性地基梁計(jì)算，提出了“逐次漸近法”來(lái)計(jì)算彈性地基上框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力。但不能考慮基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)間的水平向剪力，傅作新[4]建議了一種雙鏈桿法，即模擬豎向和切向的作用，研究成果表明，考慮基底剪力的影響后，地基反力趨于均勻，結(jié)構(gòu)受力結(jié)果的體現(xiàn)是使得結(jié)構(gòu)負(fù)彎矩增加。而基巖的地基反力相對(duì)集中，故可不考慮基底剪力，設(shè)計(jì)結(jié)果偏于安全。

2.2地基模型的選取

廠房結(jié)構(gòu)座落在基巖上，為“天然硬基”，故結(jié)構(gòu)與地基的相互作用采用文克爾（Wiknelr）模型，基礎(chǔ)表面任一點(diǎn)的壓力與該點(diǎn)位移成正比，且兩者的相互作用為“單向”即只受壓。計(jì)算公式如下：

式中：F——地基反力；S——作用點(diǎn)位移；k——地基反力系數(shù)（依據(jù)地質(zhì)資料進(jìn)行等效）。

3.工程實(shí)踐

依照前述原則，對(duì)某燈泡貫流式廠房流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，具體如下。

表3-1 計(jì)算工況及荷載

3.2結(jié)構(gòu)典型部位計(jì)算成果

根據(jù)上述計(jì)算原則及荷載進(jìn)行計(jì)算，選擇尾水段流道底板和頂部計(jì)算成果為代表進(jìn)行分析，相應(yīng)成果見(jiàn)表3-2

表3-2 下部流道尾水段計(jì)算成果

由以上計(jì)算成果可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)斷面抗剪、裂縫均滿(mǎn)足規(guī)范[5]要求。綜合比較，內(nèi)力值及結(jié)合斷面最小配筋要求，配筋較為合理。

4.結(jié)論

對(duì)燈泡貫流式水電站廠房下部流道計(jì)算可以采用“截條法”，依據(jù)本文原則選取合理的代表截面，按平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；選擇合適的彈性剛度系數(shù)，進(jìn)而真實(shí)模擬地基與結(jié)構(gòu)的相互作用，計(jì)算方法簡(jiǎn)便、荷載明確、分析效率較高。在對(duì)大型廠房結(jié)構(gòu)分析時(shí)，由于其空間形體及荷載分布相當(dāng)復(fù)雜，平面分析無(wú)法體現(xiàn)結(jié)構(gòu)間的相互作用，建議采用三維有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]橋鞏水電站分公司，河海大學(xué)《特大型燈泡貫流式水電站工程實(shí)踐》，中國(guó)水利水電出版社

[2]李守義等《燈泡貫流式水電站廠房水平止水布置研究》，水資源與水工程學(xué)報(bào)，第20卷，第1期，2009.2

[3]沈英武，彈性地基梁和框架分析文集 水利出版社 1980.1

[4]傅作新，基底剪力對(duì)基礎(chǔ)梁反力和內(nèi)力的影響 上海水利1999.1

[5]《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5057-2009