何小敏，汪李艷，張 浩，劉 鵬

(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)

1 工程概述

某水電站總庫(kù)容14.7億m3，總裝機(jī)容量1 200 MW，為Ⅰ等大(1)型工程。電站設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為1 000年，校核洪水采用PMF，相應(yīng)洪峰流量分別為6 790 m3/s和10 000 m3/s。溢洪道共布置3孔，由引渠段、堰閘段、泄槽及挑流鼻坎等組成。

堰閘段沿中孔中心線分縫，分為2個(gè)中邊墩壩段。溢洪道孔口尺寸為15.0 m×17.5 m(寬×高)，每孔布置1扇平板檢修門及1扇弧形工作門，中墩及邊墩厚度均為4 m，為改善弧門支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力條件，閘墩按預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]。右邊墩錨索布置如圖1～2所示，原設(shè)計(jì)主錨索共11根，其中外側(cè)7根(A1～A7)，內(nèi)側(cè)4根(B1～B4)；主錨索設(shè)計(jì)噸位3 000 kN，鎖定噸位3 550 kN，超張拉噸位3 850 kN。次錨索位于錨塊上，靠近上游布置2排，每排4層，共8根；次錨索設(shè)計(jì)噸位1 500 kN，鎖定噸位1 850 kN，超張拉噸位2 090 kN。

圖1 溢洪道右邊墩主錨索立面布置圖

圖2 溢洪道右邊墩主錨索點(diǎn)位圖 單位：cm

由于施工過程造成的偏差，右邊墩錨塊底部預(yù)應(yīng)力錨索中心距底部?jī)H18 cm，為保證溢洪道安全運(yùn)行，擬對(duì)右邊墩錨索布置進(jìn)行調(diào)整，具體調(diào)整方案見表1。結(jié)合ADINA軟件[2]，對(duì)不同方案進(jìn)行三維應(yīng)力分析，最終確定錨索布置方案。

2 基本假定及邊界條件

2.1 模型邊界條件

建立預(yù)應(yīng)力閘墩模型時(shí)，橫河向按結(jié)構(gòu)縫分界，采用左邊孔整孔+中孔半孔進(jìn)行模擬。

結(jié)合泄洪閘工程[3]三維有限元分析經(jīng)驗(yàn)，地基深度取2倍閘高、上下游地基長(zhǎng)度取1倍閘高時(shí)，閘室應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)趨于穩(wěn)定，故本工程地基深度取堰閘段高度2倍，上下游基礎(chǔ)長(zhǎng)度分別取堰閘段順?biāo)鏖L(zhǎng)度的1倍，左右邊界與閘室寬度相同。模型底部視為全約束，堰體橫河向側(cè)面為法向約束，上游面以及下游面為自由面。

為了模擬溢流堰體、閘墩、弧門支撐錨塊和預(yù)應(yīng)力錨索耦合作用下的閘墩結(jié)構(gòu)整體復(fù)雜受力和變形特征，單元剖分中，將錨塊以及頸部單元進(jìn)行細(xì)化。為了使計(jì)算規(guī)模得到有效控制，提高計(jì)算效率，在錨塊以外，向上游、下游方向和閘墩底部方向逐漸放大單元尺寸[4-5]。

表1 錨索布置方案表

2.2 基本假定

預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩分析過程中，不考慮鋼筋和混凝土的應(yīng)力重分布。采用3D-SOLID單元模擬混凝土[6]、地基結(jié)構(gòu)，其中混凝土按線彈性材料模擬，地基按摩爾-庫(kù)倫材料本構(gòu)模擬；采用CONTACT單元[2]模擬混凝土與地基、閘墩與錨塊間的聯(lián)結(jié)。

分析過程中假定：① 小位移、小應(yīng)變受力模式；② 地基按無質(zhì)量地基考慮[7]；③ 錨固洞二期回填混凝土，為設(shè)計(jì)保守起見，不考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)完整性的有利影響，回填混凝土自重按荷載形式施加于錨固洞底部；④ 弧門推力直接作用于錨塊支鉸，模型中不考慮弧門結(jié)構(gòu)的響應(yīng)[3]；⑤ 預(yù)應(yīng)力錨索采用等效荷載法[2]進(jìn)行模擬，通過施加在錨墊板上的均布荷載實(shí)現(xiàn)對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的模擬；⑥ 水體按荷載施加，模型中不考慮水體單元[8-10]。

3 研究成果及分析

結(jié)合本工程的特性，選取最不利工況--正常蓄水、工作門開啟瞬間工況，進(jìn)行閘室三維有限元分析。鑒于閘墩混凝土已澆筑至錨塊底部高程，造成右邊墩預(yù)應(yīng)力錨索無法按設(shè)計(jì)噸位張拉，考慮局部承壓的問題，底部2根主錨索(A7、B4錨索)按50%設(shè)計(jì)噸位張拉；以此為基礎(chǔ)，形成3個(gè)方案，詳見表1。應(yīng)力應(yīng)變分析過程中，以右邊墩為主要研究對(duì)象。

3.1 位移分析成果

預(yù)應(yīng)力閘墩在正常蓄水、工作門開啟瞬間工況下，各方案右邊墩頂部及錨塊位移見表2。

表2 各方案右邊墩頂部及錨塊位移表

注：相對(duì)施工完建工況，邊墩最大值。

由表2可知：① 錨塊豎向位移(Z向)受錨索布置方案影響較大，其中方案3最?。虎?受側(cè)向水壓力及弧門推力作用，順?biāo)飨?X向)及橫河向(Y向)位移較大，其中方案3相對(duì)位移較小；③ 不同方案邊墩頂部位移相差不大，說明不同錨索調(diào)整方案對(duì)右邊墩整體剛度影響較小。

3.2 應(yīng)力分析結(jié)果

3.2.1 壓應(yīng)力分析結(jié)果

正常蓄水、工作門開啟瞬間工況下，對(duì)各方案進(jìn)行了三維應(yīng)力應(yīng)變分析，典型部位的壓應(yīng)力分析結(jié)果見表3及圖3。

表3 各方案典型部位壓應(yīng)力表(最大值) /MPa

由上述分析可知，各典型部位壓應(yīng)力值均小于混凝土允許壓應(yīng)力；不同方案對(duì)錨固洞壓應(yīng)力分布有較大影響，同一部位壓應(yīng)力最大差值達(dá)到38%。

圖3 各方案典型部位壓應(yīng)力圖

3.2.2 拉應(yīng)力分析結(jié)果

典型部位的拉應(yīng)力分析結(jié)果見表4及圖4。

表4 各方案典型部位拉應(yīng)力表(最大值) /MPa

圖4 錨塊下游面拉應(yīng)力圖

由上述分析可知：① 由于錨索布置方案的變化，導(dǎo)致錨固洞及錨固洞下游壁面拉應(yīng)力分布有所變化，拉應(yīng)力值受臨近錨索預(yù)應(yīng)力影響較大；其中方案3錨固洞拉應(yīng)力最大值為2.21 MPa，主要是由應(yīng)力集中等原因造成；② 方案3的閘墩頸部拉應(yīng)力最小，最大值為1.21 MPa，需采取一定配筋措施；方案1(施工現(xiàn)狀)頸部拉應(yīng)力最大，最大值為1.63 MPa，增加幅度為35%；③ 案2與方案3的錨塊底滑移縫拉應(yīng)力方相差較小，拉應(yīng)力最大值分別為1.10 MPa和1.25 MPa；④ 方案2與方案3的錨塊下游面及錨塊預(yù)留扁孔處拉應(yīng)力相差較小，均小于結(jié)構(gòu)允許的安全范圍。

4 結(jié) 語

(1) 綜合各方案位移、應(yīng)力分析結(jié)果，確定方案3為錨索調(diào)整推薦方案：主錨索采用單側(cè)雙排布置，外側(cè)8層，內(nèi)側(cè)4層，右邊墩預(yù)應(yīng)力主錨索總計(jì)12根；外側(cè)上部7根及內(nèi)側(cè)上部3根主錨索設(shè)計(jì)噸位3 000 kN；考慮到局部承壓的問題，外側(cè)底部1根及內(nèi)側(cè)底部1根主錨索設(shè)計(jì)噸位1 500 kN。

(2) 不同錨索布置方案邊墩頂部位移相差不大，說明不同錨索調(diào)整方案對(duì)右邊墩整體剛度影響較小。

(3) 右邊墩預(yù)應(yīng)力錨索調(diào)整后，閘墩錨固洞、錨塊、閘墩頸部等關(guān)鍵部位應(yīng)力整體處于安全范圍內(nèi)，局部應(yīng)力較大處，通過配筋措施可到達(dá)安全運(yùn)行的要求。

(4) 受錨索預(yù)應(yīng)力影響，錨固洞、錨塊等部分壓應(yīng)力分布受錨索布置位置影響較大，今后在類似工程設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注意錨索間距的合理設(shè)計(jì)。