路 雷，陳仁宏，肖 蕾

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550081）

1 工程概況

董箐水電站是西電東送第二批重點(diǎn)電源建設(shè)項目之一，為大（2）型Ⅱ等工程。位于貴州北盤江下游貞豐縣與鎮(zhèn)寧縣交界處?？傃b機(jī)容量為880 MW，安裝4 臺220 MW 水輪發(fā)電機(jī)組，保證出力172 MW，年平均發(fā)電量為31 億kW·h，水庫正常蓄水位490 m，總庫容9.55億m3，調(diào)節(jié)庫容1.438億m3，以發(fā)電為主，兼有防洪、供水、養(yǎng)殖和改善生態(tài)環(huán)境等綜合效益。

董箐水電站廠房布置在面板壩下游右岸壩腳附近，廠房軸線方位角為N23°E。廠區(qū)樞紐主要由主機(jī)間、右端安裝間、上游副廠房、上游升壓開關(guān)站、右端上游中控樓、下游副廠房、下游尾水平臺、尾水渠及進(jìn)廠交通等建筑物組成。主廠房由主機(jī)間、安裝間組成，主機(jī)間長92.5 m，安裝間長44.5 m，總長137.0 m，高81.3 m，廠房凈跨度19.5 m，加兩側(cè)墻柱總寬25.5 m，機(jī)組間距22 m，機(jī)組安裝高程為359.6 m，發(fā)電機(jī)層高程376.7 m。上游副廠房布置在主廠房對應(yīng)段上游，全長123 m，寬度18.5 m，高40.7 m。下游副廠房布置在主機(jī)間下游墻與尾水擋墻之間，長89 m，最大寬度6 m，最小寬度3 m，高32.8 m。中控樓布置在安裝間上游側(cè)副廠房頂部，中控樓尺寸為30.5 m×19 m×28.5 m（長×寬×高），中控室樓面高程424.0 m。升壓開關(guān)站為戶內(nèi)式GIS升壓開關(guān)站，布置在主機(jī)間上游側(cè)副廠房頂部，主變開關(guān)室尺寸為92.5 m×19 m×28.5 m（長×寬×高）。尾水建筑物包括尾水管、尾水閘門操作平臺及尾水渠等。

董箐水電站受下游龍灘水庫運(yùn)行方式的影響，尾水變幅達(dá)36 m，校核洪水尾水位為402.53 m（P=0.2%）。由于本工程電站廠房承受的最大水頭為61.83 m，相當(dāng)于擋水建筑物的中型大壩，而廠房結(jié)構(gòu)要滿足機(jī)電設(shè)備的布置要求，擋水結(jié)構(gòu)不可能像重力壩一樣設(shè)計成大體積混凝土結(jié)構(gòu)，只能設(shè)計為薄壁墻體結(jié)構(gòu)，而且由于廠房尾水水位較高，廠房基底的揚(yáng)壓力也相應(yīng)較高，從而加大了廠房整體結(jié)構(gòu)、下游擋水結(jié)構(gòu)設(shè)計難度和風(fēng)險，因此非常有必要對廠房下游尾水閘墩及尾水邊墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計算。

2 計算方法與步驟

2.1 計算方法

尾水擋墻從大體積混凝土以上（發(fā)電機(jī)出線層370.7 m以上）有37.23 m作用水頭，為保證下游擋水結(jié)構(gòu)的安全可靠，采用長尾水閘墩與厚擋水墻聯(lián)合受力的擋水結(jié)構(gòu)，通過有限元法計算，復(fù)核廠房下游擋水結(jié)構(gòu)是否滿足規(guī)程規(guī)范要求。

廠房下游尾水閘墩及尾水邊墻為復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（DL/T5057-2009），無法按桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求得截面內(nèi)力的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可由彈性力學(xué)分析方法求得結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的截面應(yīng)力圖形，再根據(jù)拉應(yīng)力圖形面積，確定相應(yīng)工況下所要求的鋼筋數(shù)量。

當(dāng)截面在配筋方向的正應(yīng)力圖形偏離線性分布較大時，受拉鋼筋截面積As應(yīng)按下式計算：

式中：T為由荷載設(shè)計值確定的主拉應(yīng)力在配筋方向上形成的總拉力，N；TC為混凝土承擔(dān)的拉力，N；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，N/mm2；γd為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)系數(shù)。

2.2 計算步驟

本計算采用CATIA 三維建模，導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格剖分，然后采用Abaqus軟件進(jìn)行三維有限元計算，最后根據(jù)內(nèi)力計算結(jié)果進(jìn)行配筋計算。

3 計算模型及計算參數(shù)

3.1 計算模型

計算模型選取一個標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組段（2#機(jī)組段）尾水閘墩及尾水擋墻建立分析模型，模型邊界上部取尾水平臺高程，下部從尾水閘墩底板以下取1 倍尾水閘墩高度的基巖，上、下游側(cè)基巖取1倍尾水閘墩高度，為簡化模型建立，只截取了廠房下游墻結(jié)構(gòu)及相連接的部分樓板結(jié)構(gòu)，計算模型選取閘墩右邊墻的底板處為原點(diǎn)，橫河向為X軸方向，順河向為Y軸方向，豎直方向為Z軸方向，計算模型大部分為8節(jié)點(diǎn)6 面體C3D8R 單元，局部采用楔形體過渡，模型節(jié)點(diǎn)57 857個，單元48 648個，網(wǎng)格模型見圖1，其中尾水閘墩及尾水擋墻采用精細(xì)化模型網(wǎng)格剖分。

圖1 有限元網(wǎng)格模型

基巖底部為固端約束，其余側(cè)面均為法向約束，考慮不同機(jī)組間設(shè)置分縫，尾水閘墩及尾水墻兩側(cè)均為自由，上游側(cè)副廠房樓板考慮有沿豎直方向位移及轉(zhuǎn)動，僅約束上、下游方向的位移。

3.2 計算參數(shù)

廠房基礎(chǔ)分布地層為T2b1-2厚層、中厚層砂巖夾泥巖，根據(jù)地勘報告及規(guī)范要求，混凝土及基巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 廠房及基巖物理力學(xué)參數(shù)建議值

4 計算成果分析

4.1 內(nèi)力計算

經(jīng)計算，尾水閘墩及尾水擋墻結(jié)構(gòu)最大的拉應(yīng)為2.31 MPa，發(fā)生在尾水閘墩的中部外側(cè)，拉應(yīng)力不大，可通過配置鋼筋解決；最大壓應(yīng)力為4.90 MPa，位于擋水墻內(nèi)側(cè)與下部大體積混凝土拐角處，小于混凝土抗壓強(qiáng)度；最大位移部位在結(jié)構(gòu)頂部，最大位移值為13.2 mm，小于按排架柱計算的柱頂允許位移值（18 mm）。應(yīng)力計算結(jié)果見圖2、圖3，變形計算結(jié)果見圖4。

圖2 最大主應(yīng)力圖（拉應(yīng)力/Pa）

圖3 最小主應(yīng)力圖（壓應(yīng)力/Pa）

圖4 變形矢量圖（m）

4.2 配筋計算

根據(jù)水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（DL/T5057-2009），無法按桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求得截面內(nèi)力的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可由彈性力學(xué)分析方法或?qū)嶒灧椒ㄇ蟮媒Y(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的截面應(yīng)力圖形，再根據(jù)拉應(yīng)力圖形面積，確定鋼筋數(shù)量。本文使用有限元應(yīng)力圖形法進(jìn)行配筋計算。

4.2.1 閘墩配筋驗算

經(jīng)驗算，Z方向最大拉應(yīng)力為2.31 MPa，出現(xiàn)在中間閘墩端頭處，選取最危險的1-1截面（垂直Z軸方向，即配筋方向）進(jìn)行配筋驗算。其中，中墩拉應(yīng)力最大，故選擇中墩沿A-A路徑計算閘墩截面的拉應(yīng)力（見圖5）。路徑A-A的應(yīng)力分布見圖6。由AA 應(yīng)力路徑進(jìn)行應(yīng)力圖形積分，可求得1-1 截面在豎直方向最大總拉力為T=1.628×104kN。

圖5 閘墩配筋應(yīng)力路徑選擇圖

圖6 A-A路徑應(yīng)力分布圖

由圖6可知，受拉區(qū)高度與截面高度比值h/H＞2/3，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（DL/T5057-2009），彈性應(yīng)力圖形的受拉區(qū)高度大于結(jié)構(gòu)截面高度2/3 時，由混凝土承擔(dān)的拉應(yīng)力Tc=0。因此，按式（1）計算受拉鋼筋截面面積As，式中Tc=0，即：

4.2.2 尾水邊墻配筋驗算

Z方向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在擋水墻中部，選取最危險的2-2 斷面（垂直Z軸方向，即配筋方向）進(jìn)行配筋驗算，2-2斷面沿B-B路徑拉應(yīng)力最大，故選擇下游尾水邊墻沿B-B 路徑計算截面拉應(yīng)力在Z方向的總面積(見圖7）。路徑B-B的應(yīng)力分布見圖8。由B-B 應(yīng)力路徑進(jìn)行應(yīng)力圖形積分，可求得2-2截面在豎直方向最大總拉力為T=479.2 kN。

圖7 擋水墻配筋應(yīng)力路徑選擇圖

由圖8可知，受拉區(qū)與截面高度比值h/H＜2/3，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（DL/T5057-2009），彈性應(yīng)力圖形的受拉區(qū)高度小于結(jié)構(gòu)截面高度2/3，且截面邊緣最大拉應(yīng)力σmax為0.764 MPa，大于0.5ft，即σmax>0.5ft=0.55 MPa 時，需配置受拉鋼筋。由混凝土承擔(dān)的拉應(yīng)力Tc=143.8 kN，按式（1）計算受拉鋼筋截面面積As：

圖8 B-B路徑應(yīng)力分布圖

4.3 計算對比

將上述應(yīng)力配筋計算結(jié)果與實際配筋量進(jìn)行比較，可知實際配筋面積大于計算得到受拉鋼筋截面面積（見表2），在豎直方向上實際配筋量偏安全保守。

表2 應(yīng)力配筋與實際配筋結(jié)果比較表mm2

5 結(jié)論

（1）尾水閘及尾水擋墻結(jié)構(gòu)最大的拉應(yīng)為2.31 MPa，發(fā)生在尾水閘墩的中部外側(cè)，拉應(yīng)力不大，可通過配置鋼筋解決；最大壓應(yīng)力為4.90 MPa，位于擋水墻內(nèi)側(cè)與下部大體積混凝土拐角處，小于混凝土抗壓強(qiáng)度；最大位移部位在結(jié)構(gòu)頂部，最大位移值13.2 mm，小于按排架柱計算的柱頂允許位移值（18 mm）。結(jié)果表明尾水閘墩及尾水擋墻產(chǎn)生的應(yīng)力不大，可通過配置鋼筋解決，產(chǎn)生的變形也在規(guī)范允許范圍內(nèi)，因此，尾水閘墩與尾水擋墻結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

（2）可采用有限元應(yīng)力圖形法進(jìn)行配筋計算，在豎直方向上尾水閘墩和尾水邊墻配筋面積分別為54 266.7、1 357.8 mm2，均遠(yuǎn)小于實際配筋面積，實際配筋量偏安全保守，今后設(shè)計中尾水閘墩和尾水邊墻配筋量可結(jié)合實際運(yùn)行觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。