陳 林

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，江西 南昌 330025)

1 工程簡介

某水電站是一座以防洪和發(fā)電為主，兼有養(yǎng)殖和旅游等諸多功能的綜合性水利樞紐工程。電站的大壩為漿砌石拱壩設(shè)計，最大壩高66m。拱壩兼有拱和梁的作用，其穩(wěn)定性并不完全依賴自重維持，因此可以充分發(fā)揮材料本身的抗壓抗拉作用，與相同高度的重力壩相比可以節(jié)省30%～60%的材料，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性[1]。由于拱壩的壩址河谷往往較窄，設(shè)置河岸式溢洪道極為不便，因此多采用表孔和深孔相結(jié)合的泄洪方式。相對于深孔，表孔具有泄流能力強(qiáng)和方便檢修等諸多優(yōu)勢，因此往往承擔(dān)著水利工程的主要泄流任務(wù)，并導(dǎo)致表孔的尺寸不斷增大。對于這些水頭高、尺寸大的泄流表孔，往往需要設(shè)置閘墩和支鉸承載體構(gòu)成的支撐結(jié)構(gòu)，保證弧形閘門的運(yùn)行安全。在水利工程實(shí)際運(yùn)行過程中，拱壩會產(chǎn)生指向下游的變形，從而使閘墩的側(cè)面拉應(yīng)力增大。針對這一問題，雖然可以采用預(yù)應(yīng)力閘墩解決，但是會導(dǎo)致造價的大幅提升。同時，采用側(cè)面加筋的方式承擔(dān)一部分拉應(yīng)力，但是仍存在拉應(yīng)力過大而致側(cè)面裂縫的問題[2]。基于此，研究中在閘墩的外側(cè)與壩體的相交部位設(shè)置局部放大體，并利用模型試驗(yàn)的方法，進(jìn)行局部放大體的長度和寬度優(yōu)化，為工程設(shè)計和建設(shè)提供必要的理論和技術(shù)支撐。

2 局部放大體設(shè)計方案

整體增加閘墩的厚度固然對控制閘墩變形具有重要作用，但是會大幅增加工程造價，不利于工程設(shè)計經(jīng)濟(jì)性的發(fā)揮[3]。研究中根據(jù)閘墩應(yīng)力的分布特征，在閘墩的外側(cè)與壩體相接的部位進(jìn)行尺寸的局部放大，也就是增設(shè)局部放大體，以提升該部位的剛度。其設(shè)計示意圖如圖1所示。

圖1 局部放大體示意圖

為了研究不同尺寸局部放大體對表孔結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，研究中選擇局部放大體的長度和寬度2個主要變量，設(shè)計2組不同的試驗(yàn)方案。第一組試驗(yàn)方案為保持局部放大體的寬度為4m不變，設(shè)計局部放大體的長度分別為2.0、4.0、6.0、8.0m，分別記為方案1—4。對上述4種方案的表孔結(jié)構(gòu)典型部位的應(yīng)力進(jìn)行計算，以獲得最佳的局部放大體長度值。第二組試驗(yàn)方案為保持局部放大體的長度為4m不變，對局部放大體的寬度分別為2.0、4.0、6.0和8.0m，分別記為方案5—8，利用模型試驗(yàn)的方法對上述不同方案下的表孔結(jié)構(gòu)典型部位的應(yīng)力進(jìn)行研究分析。在實(shí)驗(yàn)過程中將未設(shè)置局部放大體的原始方案作為對比方案(記為方案0)。

3 模型試驗(yàn)設(shè)計

3.1 模型材料

根據(jù)閘墩的設(shè)計資料，同時考慮模型制作的可行性以及測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，確定模型與原型之間的相似系數(shù)為1/10[4]。根據(jù)模型試驗(yàn)相似理論，能夠反映原型受力全過程的模型材料和原型材料之間的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系應(yīng)該具有全過程相似性。模型制作過程中采用連續(xù)級配5～20mm的人工碎石配置混凝土，現(xiàn)澆成型，澆筑的順序與閘墩施工方案相同[5]。混凝土用水泥為P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料選用河沙，細(xì)度模數(shù)為2.70；模型用鋼筋選用的是直徑6.5mm的圓形鋼筋，數(shù)量和間距根據(jù)配筋率相同的原則進(jìn)行換算；預(yù)應(yīng)力鋼筋采用的是直徑5mm的高強(qiáng)度低松弛鋼絲，其數(shù)量也根據(jù)相似性原則換算獲取，混凝土用SK- 3引氣型減水劑。

3.2 加載系統(tǒng)

閘墩在工作中所承載的荷載主要是閘墩自重、弧門推力、水壓力以及預(yù)應(yīng)力荷載[6]。在模型試驗(yàn)過程中，通過預(yù)應(yīng)力由2臺張拉千斤頂施加，并按照錨塊和閘墩的順序分別對稱張拉；閘墩的弧形門受到的水推力由2個液壓千斤頂施加；模型受到的側(cè)向水壓力由3個液壓千斤頂施加；模型的自重由2個液壓千斤頂施加。上述所有的千斤頂由傳感器通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀讀數(shù)進(jìn)行精確控制。

3.3 測試系統(tǒng)

試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)由電阻應(yīng)變片通過傳感器獲取，結(jié)合相關(guān)研究成果和經(jīng)驗(yàn)，在模型的關(guān)鍵部位設(shè)置184個應(yīng)變片和應(yīng)變計[7]。其中，閘墩左側(cè)和右側(cè)表面共設(shè)置130個混凝土應(yīng)變片。主要用于測試閘墩混凝土的表面應(yīng)變，在閘墩的內(nèi)部和預(yù)應(yīng)力筋部位共設(shè)置49個鋼筋應(yīng)變片，用于測試鋼筋的應(yīng)變，在混凝土內(nèi)部埋設(shè)5個混凝土應(yīng)變計，用于測試閘墩頸部的應(yīng)變。所有的電阻應(yīng)變片均采用Solartron數(shù)據(jù)采集儀，以獲取試驗(yàn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)[8- 14]。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 局部放大體的長度優(yōu)化

利用制作的不同方案的閘墩模型，對第一組計算方案閘墩內(nèi)側(cè)面、閘墩外側(cè)面、溢流堰以及壩頂連接梁等4個主要部位的應(yīng)力進(jìn)行模型試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果中提取拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的最大值，結(jié)果見表1。

由表中的結(jié)果可知，除了溢流堰拉應(yīng)力和閘墩外側(cè)壓應(yīng)力之外，表孔結(jié)構(gòu)主要部位的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均隨著局部放大體長度值的增加而減小。這說明，增設(shè)局部放大體對降低表孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，提高拱壩結(jié)構(gòu)的安全度具有重要作用。同時，表孔結(jié)構(gòu)主要部位的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均隨著局部放大體長度值的增加而迅速減小，然后減小幅度逐漸減小而趨于穩(wěn)定。以閘墩內(nèi)側(cè)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力為例，與方案1相比，方案2、方案3和方案4的拉應(yīng)力值分別減小了17.7%、19.57%、20.8%；壓應(yīng)力值分別減小了6.9%、8.9%、9.4%。由此可見，方案2和方案1相比，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力減小幅度較大，優(yōu)化效果十分明顯，隨著局部放大體長度值的進(jìn)一步增加，方案3和方案4的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的減小幅度極為有限，進(jìn)一步優(yōu)化效果并不明顯。因此，綜合表孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平以及經(jīng)濟(jì)性特征，認(rèn)為方案2為第一組計算方案中的最佳方案，也就是局部放大體長度的最佳值為4.0m。

表1 主要部位應(yīng)力最大值計算結(jié)果(長度優(yōu)化) 單位：MPa

4.2 局部放大體的寬度優(yōu)化

利用制作的不同方案下的閘墩模型，對第二組計算方案下閘墩內(nèi)側(cè)面、閘墩外側(cè)面、溢流堰以及壩頂連接梁等4個主要部位的應(yīng)力進(jìn)行模型試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果中提取拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的最大值，結(jié)果見表2。

由表中的結(jié)果可知，除了溢流堰拉應(yīng)力和閘墩外側(cè)壓應(yīng)力之外，表孔結(jié)構(gòu)主要部位的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均隨著局部放大體寬度值的增加而減小。表孔結(jié)構(gòu)主要部位的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均隨著局部放大體寬度值的增加而逐步減小，說明局部放大體寬度越大，對改善表孔結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)越有利。以閘墩內(nèi)側(cè)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力為例，與方案1相比，方案2、方案3和方案4的拉應(yīng)力值分別減小了9.3%、25.3%、28.5%；壓應(yīng)力值分別減小了8.2%、12.7%、16.5%。鑒于各方案閘墩內(nèi)側(cè)的應(yīng)力值較高，且方案4與方案2相比增加的混凝土用量約724m3，成本增加并不大。因此，綜合表孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平以及經(jīng)濟(jì)性特征，認(rèn)為方案4為第二組計算方案中的最佳方案，也就是局部放大體寬度的最佳值為8.0m。

表2 主要部位應(yīng)力最大值計算結(jié)果(寬度優(yōu)化) 單位：MPa

5 結(jié)論

工程經(jīng)驗(yàn)表明，對于較大尺寸的表孔，閘墩、支撐結(jié)構(gòu)以及溢流堰等部位的受力條件十分復(fù)雜，如果體型設(shè)計不合理，極易誘發(fā)表孔局部混凝土開裂，影響大壩的運(yùn)行安全。本次研究以某水電站為例，利用模型試驗(yàn)的方法，研究了設(shè)置局部放大體表孔位置對表孔結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，認(rèn)為增設(shè)局部放大體對降低表孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平具有重要作用，并給出了局部放大體的最佳尺寸設(shè)計方案，可以為本工程以及相關(guān)類似工程設(shè)計提供有益的支持和借鑒。當(dāng)然，本次研究通過室內(nèi)模型試驗(yàn)的方式進(jìn)行，難以對工程實(shí)際進(jìn)行十分精確的模擬。因此，設(shè)計思路和方案的有效性有待通過數(shù)值模擬和工程實(shí)踐檢驗(yàn)的方式予以進(jìn)一步的驗(yàn)證。