孟 濤,郭榮福,田茂剛,劉 濤
(1.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開(kāi)發(fā)有限公司,新疆 喀什 844000;2.新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000)
表孔溢洪洞控制段作為整個(gè)水利樞紐的重要組成部分,直接影響到溢洪洞的正常工作,對(duì)整個(gè)樞紐工程的安全運(yùn)行至關(guān)重要,因此,控制段閘室的安全穩(wěn)定成為溢洪洞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1]。傳統(tǒng)溢洪洞控制段閘室的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法是將閘室中的各部件分開(kāi)計(jì)算,這種方法簡(jiǎn)單便于理解,但是閘室各部位分開(kāi)計(jì)算以后不能反映控制段結(jié)構(gòu)的整體效應(yīng),傳統(tǒng)方法過(guò)于繁瑣。采用大型有限元軟件建立閘室段實(shí)體計(jì)算模型,對(duì)不同的工況分別進(jìn)行靜力計(jì)算,對(duì)比分析位移變化趨勢(shì)[1- 3]
采用大型有限元軟件對(duì)控制段閘室的應(yīng)力、位移、抗滑穩(wěn)定進(jìn)行了三維有限元分析,為溢洪道閘室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供了理論依據(jù)[4- 6];張?jiān)獫苫诖笮屯ㄓ糜邢拊浖嗀NSYS,建立精細(xì)三維有限元模型模擬分析了猴子巖水電站進(jìn)水口閘室在運(yùn)行期不同工況作用下的應(yīng)力及變形規(guī)律[7];通過(guò)建立進(jìn)水口塔群三維網(wǎng)格模型,進(jìn)行阿爾塔什水電站聯(lián)合進(jìn)水口塔群三維有限元靜動(dòng)力分析[8]。以上為各類(lèi)閘室采用的三維有限元計(jì)算分析,說(shuō)明三維計(jì)算分析是控制段閘室安全運(yùn)行的可靠處理手段[9- 11]。為模擬溢洪洞控制段在實(shí)際工作中的運(yùn)行狀態(tài),需要弄清楚控制段閘室在不同運(yùn)行工況下的位移變化情況,本文通過(guò)三維有限元方法計(jì)算,分析計(jì)算控制段閘室的整體穩(wěn)定性[12- 16]。
阿爾塔什水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)南疆喀什地區(qū)莎車(chē)縣霍什拉甫鄉(xiāng)和克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃莅⒖颂湛h的庫(kù)斯拉甫鄉(xiāng)交界處,是葉爾羌河干流山區(qū)下游河段的控制性水利樞紐工程,是葉爾羌河干流梯級(jí)規(guī)劃中“兩庫(kù)十四級(jí)”的第十一個(gè)梯級(jí),在保證塔里木河生態(tài)供水條件下,具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用功能。工程區(qū)地震烈度高,基巖裸露,坡高100m,自然坡度30°~40°,巖性為灰?guī)r夾頁(yè)巖,巖層走向與洞臉邊坡交角20°,巖層傾向坡外,控制段體積較大,最大高度33m。
表孔溢洪洞位于左岸山體中,設(shè)計(jì)洪水位時(shí),表孔溢洪洞單洞泄流量為1984.03m3/s,校核洪水位時(shí),單洞泄流量為2353.54m3/s。溢洪洞由引渠段、控制段、斜井段、平洞段、出口明槽段、出口挑流消能段和出口護(hù)坡段等組成??刂贫稳L(zhǎng)40.5m,前10m為獨(dú)立的導(dǎo)水墻,導(dǎo)水墻頂高程為1823.69m,控制段閘頂高程1827.000m??刂贫卧O(shè)開(kāi)敞式WES堰,堰寬15m,堰頂設(shè)工作弧形閘門(mén)一道,閘門(mén)尺寸15m×14.5m,工作閘門(mén)前設(shè)平板檢修閘門(mén)一道,操作平臺(tái)上設(shè)閘房。控制段采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),邊墻厚2.5m??刂贫蔚撞炕A(chǔ)固結(jié)灌漿孔間、排距2m,深入基巖4m,Φ25砂漿錨桿間,長(zhǎng)4.5m,伸入基巖3.5m。控制段兩側(cè)巖體開(kāi)挖邊坡1∶0.3,沿高程10m高度設(shè)一級(jí)馬道,控制段兩側(cè)回填C15素混凝土。溢洪洞控制段現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。
圖1 控制段現(xiàn)場(chǎng)照片
控制段結(jié)構(gòu)三維有限元計(jì)算分析主要工況:
(1)竣工期工況,控制段與邊坡之間的混凝土回填等均施工完畢,施加金屬結(jié)構(gòu)及塔頂啟閉設(shè)施重量。
(2)正常運(yùn)用期工況,水庫(kù)蓄水至正常蓄水位1820m。
三維有限元網(wǎng)格精確地模擬了表孔溢洪洞控制段結(jié)構(gòu)混凝土和回填混凝土分區(qū),模擬了基巖和進(jìn)水口邊坡,使模型中節(jié)點(diǎn)累計(jì)約8.594萬(wàn)個(gè),單元約7.745萬(wàn),其中全部單元均是六面體網(wǎng)格,控制段三維整體網(wǎng)格模型如圖2所示。
圖2 控制段三維整體網(wǎng)格模型
本次計(jì)算考慮作用在控制段上完建期的荷載有:控制段自重、靜水壓力、浪壓力、揚(yáng)壓力、金屬結(jié)構(gòu)自重(施加金屬結(jié)構(gòu)及塔頂啟閉設(shè)施重量、弧形閘門(mén)荷載)[17- 18]。見(jiàn)表1。
表1 各工況荷載組合
閘井基礎(chǔ)處在弱風(fēng)化灰?guī)r巖體內(nèi),基礎(chǔ)承載力標(biāo)準(zhǔn)值1.0~1.2MPa。參考地質(zhì)勘查報(bào)告的巖體力學(xué)參數(shù)建議值,確定計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 料的力學(xué)參數(shù)
根據(jù)規(guī)范要求控制段地基在各種運(yùn)用情況下均應(yīng)滿(mǎn)足承載力、穩(wěn)定和變形的要求??刂贫斡?jì)算應(yīng)根據(jù)地基情況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工條件進(jìn)行。本項(xiàng)目通過(guò)三維有限元方法計(jì)算分析,計(jì)算控制段在靜力況下的位移、應(yīng)力等情況,評(píng)價(jià)控制段整體穩(wěn)定性,并明確山巖對(duì)控制段的推力及控制段相應(yīng)部位應(yīng)力值云圖。本次僅計(jì)算竣工期和正常運(yùn)用期2個(gè)工況下表孔溢洪洞控制段的位移應(yīng)力等情況[19]。
在溢洪洞控制段閘室的分析計(jì)算中,模擬分析了對(duì)控制段垂直水流向位移、順?biāo)飨蛭灰坪拓Q直向位移和應(yīng)力的計(jì)算情況[20- 21],控制段閘室各向位移云圖如圖3—5所示。
圖3 完建期工況控制段垂直水流向位移(單位:m)
圖4 完建期工況控制段順?biāo)飨蛭灰?單位:m)
圖5 完建期工況控制段豎直向位移(單位:m)
控制段閘室各向位移計(jì)算中,控制段的位移量通過(guò)建模計(jì)算可知,垂直水流向位移:控制段頂部向內(nèi)移量約0.12mm,底部圍巖向左、右偏移約0.1mm;順?biāo)飨蛭灰疲嚎刂贫纬隹谔幭蛳掠纹萍s0.09mm;豎直向位移:控制段頂部前端大梁向下位移約2.2mm,控制段沉降約1.2mm。在竣工期,由于控制段的重心均位于前端,在重力作用下,控制段均向上游偏移0.2mm,由于自重作用,前端大梁由于體型的較后面主梁的要小,所以豎向位移最大。
完建期工況控制段拉應(yīng)力和壓應(yīng)力如圖6—7所示。
圖6 完建期工況控制段拉應(yīng)力(單位:Pa)
圖7 完建期工況控制段壓應(yīng)力(單位:Pa)
完建期工況,控制段極少部位拉應(yīng)力超過(guò)1MPa,基本位于閘室角緣處,由應(yīng)力集中所致。閘井上部結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力均低于0.4MPa。閘室底板拉應(yīng)力略大,底板中部下側(cè)有超過(guò)0.5MPa的區(qū)域??刂贫谓^大多數(shù)部位的壓應(yīng)力低于2MPa,閘室前邊墻壓應(yīng)力有超過(guò)2MPa的部位,但不超過(guò)5MPa。角緣處因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的壓應(yīng)力為9.8MPa,不具代表性。
綜合以上,在竣工期,控制段閘井上部結(jié)構(gòu)的混凝土拉應(yīng)力低于0.2~0.4MPa,閘室底板拉應(yīng)力略大,有超過(guò)0.5MPa的部位,但低于1MPa?;炷翂簯?yīng)力僅閘室前室的邊墻和導(dǎo)墻略大,其值在2~5MPa范圍內(nèi),是由塔體重心位于塔前部所致。
由圖8中通過(guò)基底壓力的分布情況可以看到,在完建期工況,由控制段以及弧門(mén)自重向基地傳遞下來(lái)的豎向力為16210t,水平方向的力為1807t??刂贫蔚装逯苯优c基巖接觸?;讐毫η闆r如下:前齒槽底1.08MPa,閘室前室底板0.68MPa,閘室中部0.63MPa,閘室后室0.60MPa,后齒槽底0.25MPa。
圖8 完建期工況控制段基巖壓力分布及順?biāo)魍屏拓Q向力(單位:Pa、N)
基巖在干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為1.0~1.2MPa、內(nèi)聚力C為1.4MPa、內(nèi)摩擦角Φ為40.5°。在竣工期,整個(gè)邊坡和基巖無(wú)塑性變形發(fā)生,進(jìn)水口混凝土結(jié)構(gòu)基底壓力遠(yuǎn)小于基巖抗壓強(qiáng)度,所以,在完建期工況,基巖具有足夠的承載能力[22- 23]。
水庫(kù)蓄水至正常蓄水位1820m、施加金屬結(jié)構(gòu)及塔頂啟閉設(shè)施重量、浪壓力、風(fēng)壓力、擋水閘門(mén)荷載;正常運(yùn)行工況混凝土結(jié)構(gòu)被水淹沒(méi),采用特殊邊界模擬結(jié)構(gòu)被水體淹沒(méi)后產(chǎn)生的浮托力,以便可以更加真實(shí)的反應(yīng)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行工況時(shí),計(jì)算混凝土底板在受到浮拖力后的應(yīng)力狀態(tài)以及基礎(chǔ)底部壓應(yīng)力狀態(tài),同時(shí)考慮塔體、回填混凝土與圍巖的相互耦合作用以及不同材料間的接觸作用,減少產(chǎn)生不真實(shí)的拉應(yīng)力區(qū)域,以便更真實(shí)的模擬塔體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用[24- 25]。由于篇幅限制,正常運(yùn)用工況下各應(yīng)力云圖不再贅述,控制段各位移和應(yīng)力見(jiàn)表3。
表3 表孔溢洪洞控制段有限元計(jì)算成果表
采用三維有限元法對(duì)阿爾塔什控制段結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算分析研究,主要結(jié)論如下。
(1)完建期和正常運(yùn)行期工況控制段豎向位移最大值分別為1.2mm和2.36mm,底板上、下部混凝土拉應(yīng)力均低于1MPa,角緣處因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過(guò)5MPa,不具代表性;由此可見(jiàn)控制段在不同工況下各向位移和應(yīng)力均滿(mǎn)足規(guī)范要求。
(2)通過(guò)基底壓力的分布情況可知,完建期和正常運(yùn)行期工況控制段基礎(chǔ)混凝土壓應(yīng)力均遠(yuǎn)小于基巖抗壓強(qiáng)度,由此可見(jiàn)控制段在不同工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。
(3)本工程目前已蓄水運(yùn)行,從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果與三維有限元計(jì)算成果基本吻合。表明計(jì)算方法具有較強(qiáng)的適用性和實(shí)用性,可為類(lèi)似的計(jì)算提供有益參考。