周小姿，周清勇，郝昌言

（1.上饒市國控水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江西 上饒 334001；2.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029）

壩下涵管作為土石壩工程主要輸水建筑物，在水利工程中被廣泛應(yīng)用。壩下涵管進(jìn)水口分為斜坡式和塔式。斜坡式進(jìn)水口優(yōu)點(diǎn)是建筑物結(jié)構(gòu)簡單、施工方便，由于其臥管內(nèi)的水流為無壓流，可以使用漿砌石塊、條石來修建，可就地取材，降低造價；其缺點(diǎn)是孔口較多，容易漏水，且閘門運(yùn)用管理不便，對引水流量不易準(zhǔn)確控制。塔式進(jìn)水口有3種布置方式：第一種布置方式是將塔布置在壩體內(nèi)靠近壩頂附近，其優(yōu)點(diǎn)是塔身受風(fēng)浪、冰凍的影響小，穩(wěn)定性好，產(chǎn)生不均勻沉陷和斷裂的可能性小，交通橋短，其缺點(diǎn)是由于塔身位于壩體中部，如果塔身與涵管結(jié)合處漏水，將會引起壩體滲透變形，而且塔的上游側(cè)涵管檢修不便，塔的下游側(cè)較短，可能會出現(xiàn)滲徑不足；第二種布置方式是將塔布置在上游壩腳處，其優(yōu)缺點(diǎn)與上述布置恰恰相反；第三種布置方式是將塔設(shè)在前述2 種位置之間，由于這種方式容易造成塔身與斜墻防滲體結(jié)合部的漏水，因此這種方式不適用于斜墻壩[1-4]。

在進(jìn)行工程設(shè)計時，如果檢修平臺高程低于設(shè)計洪水位和校核洪水位，當(dāng)啟閉豎井塔柱結(jié)構(gòu)遭遇設(shè)計洪水位甚至校核洪水位時，豎井內(nèi)工作門槽及檢修門槽將會充水，此時結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與常水位下存在差異，需要進(jìn)行專項討論[5，6]。本文采用有限元法對某工程壩下涵管進(jìn)水口啟閉豎井進(jìn)行仿真分析，通過合理的分組劃分豎井結(jié)構(gòu)單元，充分考慮工程在不同運(yùn)行工況不同水位下承載面的差異，系統(tǒng)分析門槽充水對壩下涵管塔式進(jìn)水口工作性態(tài)的影響，以期為進(jìn)水口啟閉豎井施工設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)。

1 工程概況

某工程主要擋水建筑物為土石壩，壩下涵管進(jìn)口啟閉豎井布置在壩體上游基巖上。工程檢修平臺高程76.60 m，啟閉平臺高程80.80 m，正常蓄水位76.31 m，50 a 一遇設(shè)計洪水位77.13 m，1 000 a 一遇校核洪水位77.60 m。當(dāng)壩前水位超過檢修平臺時，水將沿著檢修平臺進(jìn)入檢修門槽及工作門槽，此時豎井結(jié)構(gòu)將面臨塔柱充水工況。

根據(jù)該工程壩下涵管進(jìn)口啟閉豎井布置形式，建立包括啟閉豎井塔柱結(jié)構(gòu)、門槽二期混凝土、閘門、通氣孔、啟閉機(jī)平臺及頂部啟閉機(jī)房模型，如圖1 所示。模型共分8 組，節(jié)點(diǎn)數(shù)35 613 個，單元數(shù)28 584個，全部單元采用八節(jié)點(diǎn)六面體。

圖1 某工程壩下涵管進(jìn)口啟閉豎井模型

2 材料參數(shù)及計算工況

2.1 材料參數(shù)

模型按設(shè)計圖紙進(jìn)行材料分區(qū)，仿真計算材料參數(shù)按照工程設(shè)計報告結(jié)合《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL 191-2008）混凝土標(biāo)號建議值進(jìn)行取值，詳見表1。

表1 材料參數(shù)

2.2 仿真計算工況

本文主要圍繞門槽充水對壩下涵管塔式進(jìn)水口工作性態(tài)的影響展開研究。計算時在地基兩側(cè)施加法向固定約束，地基底部施加三向固定約束。仿真工作閘門運(yùn)行工況及檢修閘門運(yùn)行工況下正常蓄水位及校核洪水位時塔式豎井結(jié)構(gòu)的工作性態(tài)，詳見表2。

表2 塔式豎井結(jié)構(gòu)工作性態(tài)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 位移結(jié)果影響分析

塔式進(jìn)水口啟閉豎井結(jié)構(gòu)各工況位移計算結(jié)果云圖，如圖2—5所示。

圖2 工況1位移分布

圖3 工況2位移分布

圖4 工況3位移分布

圖5 工況4位移分布

從圖2—5 可以看出，各工況下結(jié)構(gòu)位移分布規(guī)律基本一致，檢修閘門運(yùn)行工況相對工作閘門運(yùn)行工況位移更小。校核洪水位下，檢修閘門門槽及工作閘門門槽內(nèi)充滿水體，此時結(jié)構(gòu)各向位移均小于正常蓄水位工況，因此門槽充水對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有增強(qiáng)作用。

3.2 應(yīng)力結(jié)果影響分析

不同工況下啟閉豎井結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力分布，如圖6 所示。從圖6 可以看出，結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力均較小，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL 191-2008）中C30 素混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa，由此得出結(jié)構(gòu)安全裕度較高。其中，啟閉豎井整體主拉應(yīng)力最大值位于啟閉機(jī)梁底部；塔柱結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力最大值位于76.60 m平臺檢修閘門門槽二期混凝土處。

圖6 啟閉豎井結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力分布

塔式豎井結(jié)構(gòu)工作性態(tài)分析結(jié)果最大值匯總，詳見表3。由表3可知，工作閘門運(yùn)行工況與檢修閘門運(yùn)行工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律一致，且主拉應(yīng)力數(shù)值基本相同。校核洪水位下，檢修閘門門槽及工作閘門門槽內(nèi)充滿水體，此時結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力小于正常蓄水位工況，因此門槽充水對結(jié)構(gòu)的安全裕度具有增強(qiáng)作用。

表3 塔式豎井結(jié)構(gòu)工作性態(tài)最大值匯總

4 結(jié)語

本文采用有限元法對某工程進(jìn)行仿真分析，明確工作閘門運(yùn)行工況及檢修閘門運(yùn)行工況下塔式進(jìn)水口豎井結(jié)構(gòu)的工作性態(tài)，分析門槽充水對塔式進(jìn)水口工作性態(tài)的影響。研究結(jié)果表明，各工況下結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，且數(shù)值均較小，結(jié)構(gòu)安全裕度較大。校核洪水位下，檢修閘門門槽及工作閘門門槽內(nèi)充滿水體，此時結(jié)構(gòu)位移及主拉應(yīng)力均小于正常蓄水位工況，因此門槽充水對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全裕度具有增強(qiáng)作用，但在設(shè)計時需對啟閉機(jī)在門槽充水時的啟閉能力進(jìn)行重點(diǎn)復(fù)核。