張 生 東，　邱 海 波

(1.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京　100024；2.北京市京密引水管理處，北京　101400)

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淺談閘門(mén)井抗外壓設(shè)計(jì)的優(yōu)化

張 生 東1，邱 海 波2

(1.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024；2.北京市京密引水管理處，北京101400)

摘要：在閘門(mén)井設(shè)計(jì)中，不可避免會(huì)涉及到抗外壓設(shè)計(jì)問(wèn)題，一些閘門(mén)井孔口部位的跨度較大，使得在不考慮與圍巖的聯(lián)合承載時(shí)，閘門(mén)井孔口部位兩側(cè)井壁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及配筋結(jié)果較大，按該結(jié)果進(jìn)行配筋是很不經(jīng)濟(jì)的。以額勒賽下游水電站上電站工程泄洪放空洞閘門(mén)井為例，通過(guò)考慮圍巖與混凝土的聯(lián)合作用，大大減小了井身結(jié)構(gòu)配筋，為類(lèi)似的閘門(mén)井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：閘門(mén)井；抗外壓；固結(jié)灌漿圈；聯(lián)合作用

1前言

在閘門(mén)井設(shè)計(jì)中，不可避免會(huì)涉及到抗外壓設(shè)計(jì)問(wèn)題，在抗外壓設(shè)計(jì)中：一方面，部分電站由于弧門(mén)的設(shè)置，使得閘門(mén)井孔口部位的跨度較大；另外，水庫(kù)建成蓄水后，地下水位抬高，也使得閘門(mén)井需要承受較大的外水壓力，因此，閘門(mén)井抗外壓設(shè)計(jì)時(shí)孔口部位兩側(cè)井壁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力較大。

由于閘門(mén)井在進(jìn)行固結(jié)灌漿且設(shè)置錨桿后，保證了襯砌與巖石的聯(lián)合作用，由于固結(jié)灌漿的作用，使得襯砌周?chē)膸r石滲透系數(shù)減小，客觀(guān)地使外水壓力作用在襯砌外緣的巖石固結(jié)圈上，因此，結(jié)合部分已建工程的處理方法，可考慮把外水壓力作用在襯砌外緣的巖石注漿加固圈上。本文結(jié)合柬埔寨額勒賽下游水電站上電站工程泄洪放空洞閘門(mén)井設(shè)計(jì)，分別按考慮與圍巖聯(lián)合承載和不考慮聯(lián)合承載兩種情況進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)對(duì)兩種方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用考慮圍巖與混凝土的聯(lián)合承載時(shí)，可大大減少配筋。

2工程概況

額勒賽下游水電站位于柬埔寨王國(guó)戈公(Koh Kong)省以北20 km、首都金邊以西180 km的額勒賽河下游，分設(shè)上下兩個(gè)電站工程。上電站樞紐布置為混凝土面板堆石壩+下游左岸地面廠(chǎng)房，總裝機(jī)容量為206 MW。工程規(guī)模為大(2)型，工程等別為二等，主要建筑物級(jí)別為2級(jí)，次要建筑物為3級(jí)。地震基本烈度為6度，設(shè)計(jì)烈度為6度。

泄洪放空洞布置在右岸，位于溢洪道以右山體內(nèi)，泄洪洞中部設(shè)閘門(mén)井，閘門(mén)井內(nèi)設(shè)事故閘門(mén)及弧形工作門(mén)各一扇。閘門(mén)井長(zhǎng)度為29.5 m，樁號(hào)為洞0+196.00 m ～洞0+225.50 m，閘門(mén)井內(nèi)包括一扇孔口尺寸為6.0×8.0 m(寬×高)的平板檢修門(mén)，一扇孔口尺寸為6.0×7.0 m(寬×高)的弧形工作門(mén)。閘門(mén)井總深約75 m，閘門(mén)井開(kāi)挖斷面為寬度12 m，長(zhǎng)度自下而上為29.5 m～16.2 m。

圖1　閘門(mén)井縱斷面圖

對(duì)于正常運(yùn)行工況，工作閘門(mén)孔內(nèi)無(wú)水，內(nèi)水壓力為零，外水水位263.0 m。閘門(mén)井孔口部位具體體型見(jiàn)圖1。

3井身結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1不考慮圍巖聯(lián)合承載

3.1.1計(jì)算假定及模型

不考慮圍巖的作用，將206 m高程以上閘門(mén)井結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成平面框架結(jié)構(gòu)，四周承受均布荷載，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計(jì)算閘門(mén)井?dāng)嗝婧?jiǎn)化結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，模型見(jiàn)圖2。

圖2　閘門(mén)井206 m高程簡(jiǎn)化模型

將EL.206 m～EL.191.4 m閘門(mén)井壁簡(jiǎn)化為雙向板結(jié)構(gòu)，雙向板上下游兩個(gè)方向?yàn)楣潭耍敳亢偷撞繛楹?jiǎn)支；

圖3　▽191.40 m～▽206 m雙向板模型

將EL.191.4 m以下閘門(mén)井壁簡(jiǎn)化為雙向板結(jié)構(gòu)，雙向板三個(gè)方向?yàn)楣潭?，頂部為?jiǎn)支；

圖4　▽181.90 m～▽191.40 m雙向板模型

在洞室開(kāi)挖過(guò)程中采用噴錨、掛網(wǎng)支護(hù)，并對(duì)周?chē)鷰r體進(jìn)行固結(jié)灌漿，因此在計(jì)算時(shí)不計(jì)入圍巖壓力；

抗外壓計(jì)算時(shí)，考慮到閘門(mén)井外圍巖較單薄，與水庫(kù)連通性通性較好，外水壓力偏安全地按正常蓄水位選取。

3.1.2內(nèi)力及配筋計(jì)算

根據(jù)內(nèi)力結(jié)果對(duì)各個(gè)截面進(jìn)行配筋后結(jié)果如表1：

3.2考慮圍巖聯(lián)合承載

3.2.1計(jì)算假定

計(jì)算時(shí)不計(jì)入圍巖壓力，外水壓力偏安全地按正常蓄水位選?。?/p>

參考公伯峽[1]、洪家渡[2]的設(shè)計(jì)方法，以及《水工隧洞結(jié)構(gòu)限裂設(shè)計(jì)研究》[3]的成果，在計(jì)算外水時(shí)考慮注漿加固圈的作用，以反映圍巖的貢獻(xiàn)，把外水壓力當(dāng)作面力進(jìn)行分析計(jì)算，外水壓力直接作用在襯砌外緣的注漿加固圈上；

在閘門(mén)井設(shè)計(jì)中，采用了系統(tǒng)錨桿支護(hù)并進(jìn)行了固結(jié)灌漿，其中錨桿參數(shù)為：φ25@1.5 m×1.5 m，L=4.5 m，入巖3.8 m；固結(jié)灌漿參數(shù)為：固結(jié)灌漿孔孔徑?50 mm，排距3 m，深入巖石5.0 m。考慮到固結(jié)灌漿及錨桿對(duì)圍巖的加固，及外露70 cm錨桿與混凝土襯砌的拉結(jié)作用，在計(jì)算時(shí)考慮3.8 m圍巖作為“注漿加固圈”。

表1　不考慮圍巖聯(lián)合承載配筋結(jié)果

3.2.2計(jì)算模型

(1)有限元模型

計(jì)算采用ansys，建立三維模型，網(wǎng)格采用映射剖分，圍巖和混凝土均采用SOLID 65單元。具體模型見(jiàn)下圖，井身混凝土襯砌與加固圈圍巖見(jiàn)共節(jié)點(diǎn)，圍巖厚度為3.8 m，該模型范圍為：EL.177.5 m～EL.219.52 m。

圖5　閘門(mén)井井身及注漿加固圈模型

(2)約束及荷載

對(duì)于正常運(yùn)行工況，事故閘門(mén)井孔內(nèi)水位為正常蓄水位，其下游側(cè)工作閘門(mén)孔內(nèi)無(wú)水，靜水壓力為零，加固圈外圍的外水壓力按正常蓄水位263.0 m考慮。

3.2.3有限元計(jì)算結(jié)果

閘門(mén)井井身第一主應(yīng)力結(jié)果如下：

從混凝土襯砌的第一主應(yīng)力結(jié)果來(lái)看，總體在1 MPa左右，最大值為2.35 MPa，其中拉應(yīng)力最大部位位于弧門(mén)門(mén)槽及檢修門(mén)孔口附近，尤其是191.4平臺(tái)及檢修門(mén)槽下游側(cè)應(yīng)力最大，以下選取有代表性的四個(gè)截面進(jìn)行線(xiàn)性化和內(nèi)力計(jì)算。具體截面位置如圖6。

3.2.4配筋計(jì)算

將截面應(yīng)力線(xiàn)性化得到內(nèi)力結(jié)果，根據(jù)內(nèi)力進(jìn)行配筋后結(jié)果如表2：

圖6　模型荷載及約束示意圖

圖7　閘門(mén)井井身內(nèi)側(cè)第一主應(yīng)力云圖

截面截面高/m最大應(yīng)力/(kN/m2)最小應(yīng)力/(kN/m2)彎矩/kN·m軸力/kN配筋結(jié)果/m內(nèi) 側(cè)外 側(cè)12.31806-18501611.7-50.6(單)6φ32(單)6φ3222.31175.4-17512194.8-863.4(單)6φ32(單)6φ32331600-1318.12188.6422.9(單)6φ32(單)6φ32431461.5-1814.62457.1-529.7(單)6φ36(單)6φ36

4 結(jié)語(yǔ)

由于閘門(mén)井在進(jìn)行固結(jié)灌漿且設(shè)置錨桿后，保證了襯砌與巖石的聯(lián)合作用，固結(jié)灌漿的作用，使得襯砌周?chē)膸r石滲透系數(shù)減小，客觀(guān)地使外水壓力作用在襯砌外緣的巖石固結(jié)圈上。因此，在工程設(shè)計(jì)階段無(wú)地下水位資料時(shí)，可考慮把外水壓力作用在襯砌外緣的巖石注漿加固圈上。

對(duì)于額勒賽下游水電站上電站泄洪防空洞閘門(mén)井，在考慮圍巖的聯(lián)合承載后，截面的配筋面積減少了大約30%，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，目前額勒賽已建成發(fā)電，閘門(mén)井運(yùn)行情況良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳念水、王衛(wèi)國(guó). 水工隧洞設(shè)計(jì)中外水壓力的探討，西北水電，2012(5)：28-31；

[2] 湛正剛、張晉秋. 水工隧洞外水壓力設(shè)計(jì)分析探討，貴州水力發(fā)電，2000(4)31-34；

[3]中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 水工隧洞結(jié)構(gòu)限裂設(shè)計(jì)研究成果報(bào)告，2008；

張生東(1938-)，男，江蘇儀征人，工程師，主要從事水電工程的設(shè)計(jì)和科研工作；

邱海波(1982-)，男，山東汶上人，工程師，主要從事水利工程管理工作.

(責(zé)任編輯：卓政昌)

中電建設(shè)計(jì)施工西藏多布水電站投產(chǎn)

1月17日，由中國(guó)電建設(shè)計(jì)施工的西藏多布水電站最后一臺(tái)(1號(hào))機(jī)組順利完成72小時(shí)試運(yùn)行，至此，該電站4臺(tái)機(jī)組全部具備投入商業(yè)運(yùn)行條件。

多布水電站位于西藏林芝縣境內(nèi)尼洋河上，距林芝行署所在地八一鎮(zhèn)約25千米，水庫(kù)正常蓄水位3 076米，總庫(kù)容8 500萬(wàn)立方米，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)。初選電站裝機(jī)容量12萬(wàn)千瓦，年利用小時(shí)4 217小時(shí)，設(shè)計(jì)年發(fā)電量5.06億千瓦時(shí)。多布水電站是尼洋河綜合治理與保護(hù)規(guī)劃優(yōu)先項(xiàng)目，一旦投產(chǎn)發(fā)電，對(duì)緩解藏中電網(wǎng)供電緊張局面，促進(jìn)西藏經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義。該工程主要由攔河壩、泄水和發(fā)電等建筑物組成，是西藏第十二個(gè)五年規(guī)劃期間能源發(fā)展重點(diǎn)項(xiàng)目，獲得中央預(yù)算內(nèi)投資額度12.13億元。電站準(zhǔn)備工程于2011年6月開(kāi)工建設(shè)，2014年12月11日實(shí)現(xiàn)大江截流，首臺(tái)(4號(hào))機(jī)組于2015年8月29日發(fā)電。

大唐發(fā)電2015年發(fā)電量：1 697.252億千瓦時(shí)

根據(jù)大唐發(fā)電初步統(tǒng)計(jì)，截止到2015年12月31日，大唐發(fā)電及子公司(“本集團(tuán)”)已累計(jì)完成發(fā)電量約1 697.252億千瓦時(shí)，比去年同期減少約10.12%;本集團(tuán)累計(jì)完成上網(wǎng)電量約1 608.296億千瓦時(shí)，比去年同期減少約9.97%。受全國(guó)電力供需總體寬松以及本集團(tuán)火電機(jī)組所在區(qū)域電網(wǎng)利用小時(shí)下降的影響，火電機(jī)組發(fā)電量同比降低約11.55%，上網(wǎng)電量同比降低約11.50%;因本集團(tuán)水電機(jī)組容量增加等因素的影響，水電機(jī)組發(fā)電量同比增加約0.17%，上網(wǎng)電量同比增加0.75%;因本集團(tuán)風(fēng)電機(jī)組容量同比增加，風(fēng)力及光伏機(jī)組發(fā)電量同比增加約2.49%，上網(wǎng)電量同比增加2.61%。

國(guó)電電力2015年全年發(fā)電量：1 688億千瓦時(shí)

截至2015年12月31日，國(guó)電電力公司控股裝機(jī)容量4 630.35萬(wàn)千瓦，其中火電3 120.75萬(wàn)千瓦，水電1 080.03萬(wàn)千瓦，風(fēng)電408.37萬(wàn)千瓦,太陽(yáng)能光伏21.20萬(wàn)千瓦。公司第四季度新增火電裝機(jī)容量66萬(wàn)千瓦，新增水電裝機(jī)容量28.5萬(wàn)千瓦，新增風(fēng)電裝機(jī)容量27.8萬(wàn)千瓦，新增光伏0.1萬(wàn)千瓦。

國(guó)電電力公司2015年全年累計(jì)完成發(fā)電量1 688億千瓦時(shí)，上網(wǎng)電量1 595.19億千瓦時(shí)，平均上網(wǎng)電價(jià)353.89元/千千瓦時(shí)，較同期分別下降了5.71%，6.15%和4.88%。其中：火電企業(yè)累計(jì)完成發(fā)電量1 293.51億千瓦時(shí)，同比下降10.12%，上網(wǎng)電量1 206.73億千瓦時(shí)，同比下降10.73%。水電企業(yè)累計(jì)完成發(fā)電量319.16億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)12.46%，上網(wǎng)電量315.76億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)12.14%。風(fēng)電企業(yè)累計(jì)完成發(fā)電量72.32億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)13.28%，上網(wǎng)電量69.71億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)10.55%。光伏企業(yè)累計(jì)完成發(fā)電量3.01億千瓦時(shí)，同比降低11.47%，上網(wǎng)電量2.99億千瓦時(shí)，同比降低10.48%。

作者簡(jiǎn)介:

收稿日期:2015-06-01

文章編號(hào):1001-2184(2016)01-0104-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類(lèi)號(hào):TV663；U456.2