夏傳星,花俊杰,黃 元

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北武漢 430010)

水布埡溢洪道泄槽鼻坎有限元分析

夏傳星,花俊杰,黃 元

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北武漢 430010)

水布埡溢洪道泄量巨大、泄洪水頭高,泄槽鼻坎受力非常復(fù)雜,按常規(guī)材料力學(xué)法計(jì)算的鋼筋無(wú)法布置。采用ANSYS軟件對(duì)鼻坎進(jìn)行三維有限元分析,重點(diǎn)研究鼻坎在不同結(jié)構(gòu)措施下的應(yīng)力變形情況,提出了側(cè)墻和底板的配筋原則,可為同類工程提供參考。

水布埡;溢洪道泄槽;鼻坎;三維有限元法;灌漿

1 工程概況

水布埡水電站位于湖北省巴東縣境內(nèi)的清江中游河段,是一座以發(fā)電和防洪為主、兼有其它綜合效益的大Ⅰ型水利工程。樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、左岸溢洪道、右岸地下廠房和放空洞等組成。

泄洪建筑物為河岸式溢洪道,采用窄縫式消能工、階梯式出口布置型式。經(jīng)多年研究,5條泄槽鼻坎采用階梯式布置以及5#鼻坎采用右偏布置方式,基本上可以解決水布埡工程軟弱地質(zhì)條件下的消能防沖和電站尾水防淤積等問題[1]。

溢洪道泄量大(萬(wàn)年一遇最大下泄流量18 280 m3/s)、水頭高,泄槽鼻坎承受水壓力很大[2],采用常規(guī)材料力學(xué)方法計(jì)算側(cè)墻和底板所需鋼筋量很大,難以布置。本文以3#泄槽鼻坎為例,采用大型有限元分析通用軟件ANSYS研究鼻坎原設(shè)計(jì)體型及不同結(jié)構(gòu)措施下的應(yīng)力變形情況,為側(cè)墻和底板的配筋提供計(jì)算依據(jù)。

2 計(jì)算條件

2.1 計(jì)算模型

3#泄槽鼻坎結(jié)構(gòu)見圖1,鼻坎周邊設(shè)置了伸縮縫,為獨(dú)立結(jié)構(gòu),分析時(shí)不考慮鼻坎與周邊結(jié)構(gòu)之間的相互作用,計(jì)算范圍取3#鼻坎及地基。

采用空間八結(jié)點(diǎn)六面體單元離散計(jì)算域[3],建立的三維有限元模型見圖2,單元總數(shù)為37 199,結(jié)點(diǎn)總數(shù)為41663。計(jì)算坐標(biāo)以垂直水流方向?yàn)閄軸軸向,指向左岸為正,豎直方向?yàn)閅軸軸向,豎直向上為正,順?biāo)鞣较驗(yàn)閆軸軸向,指向下游為正。地基的前后、左右邊界及底部均取法向約束[4]。

2.2 作用及其組合

根據(jù)《清江水布埡水利樞紐泄洪消能專題報(bào)告審查意見》中的溢洪道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),挑流鼻坎按一級(jí)建筑物設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為萬(wàn)年一遇。

圖1 溢洪道3#泄槽鼻坎結(jié)構(gòu)圖

圖2 3#泄槽鼻坎三維有限元模型

本文計(jì)算荷載考慮自重、側(cè)墻和底板承受的時(shí)均壓力和脈動(dòng)應(yīng)力。

鼻坎三維有限元分析考慮了四種作用效應(yīng)組合:①萬(wàn)年一遇校核洪水(泄量18 280 m3/s);②千年一遇設(shè)計(jì)洪水(泄量16 230 m3/s);③五百年一遇洪水(泄量14 810 m3/s);④百年一遇洪水(泄量11 490 m3/s)。

2.3 力學(xué)參數(shù)

參照溢洪道泄槽段混凝土強(qiáng)度等級(jí)分區(qū)圖和地質(zhì)剖面圖,模擬鼻坎混凝土和地基巖層,計(jì)算參數(shù)取值見表1[5]。

2.4 配筋計(jì)算方法

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6](DL/T 5057-1996),當(dāng)由力學(xué)計(jì)算得出結(jié)構(gòu)在彈性階段的截面應(yīng)力圖形,并按彈性受拉應(yīng)力圖形配置鋼筋時(shí),配筋原則為:總拉力T由混凝土承擔(dān)的拉力及鋼筋承擔(dān)的拉力共同承擔(dān)。

表1 混凝土及巖體物理力學(xué)參數(shù)表

ANSYS計(jì)算中,根據(jù)有限元應(yīng)力結(jié)果,在應(yīng)力最大值處沿垂直配筋方向設(shè)置應(yīng)力路徑[7],將拉應(yīng)力映射到應(yīng)力路徑上,積分求出混凝土和鋼筋承擔(dān)的拉力,按規(guī)范公式計(jì)算受力鋼筋。

3 計(jì)算結(jié)果

文中正應(yīng)力以拉為正,以壓為負(fù);豎直位移以向上為正,順?biāo)魑灰埔灾赶蛳掠螢檎?垂直水流位移以指向左岸為正。圖中應(yīng)力單位為Pa。

3.1 原設(shè)計(jì)體型結(jié)果分析

鼻坎側(cè)墻底部網(wǎng)格尺寸很小,底板與側(cè)墻交接部位為應(yīng)力突變區(qū),有限元應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重,故結(jié)點(diǎn)應(yīng)力值較大。校核工況下,垂直水流向拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鼻坎底板出口部位,豎向和順?biāo)飨蚶瓚?yīng)力最大值出現(xiàn)在側(cè)墻底部,鼻坎的應(yīng)力示意見圖3～圖4。其余工況的鼻坎應(yīng)力變形規(guī)律和萬(wàn)年一遇工況基本一致,只是各最大值有不同程度的減少,各工況計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 鼻坎應(yīng)力位移最大值表

根據(jù)應(yīng)力圖形,在側(cè)墻和底板設(shè)置多條應(yīng)力路徑,按2.4節(jié)方法計(jì)算鋼筋截面積。萬(wàn)年一遇校核工況下,單寬1 m范圍內(nèi)側(cè)墻所需最大鋼筋截面積為41 016mm2,底板為36 339 mm2。設(shè)計(jì)工況側(cè)墻所需鋼筋截面積比校核工況約減少15%～22%,底板約減少7%～15%。百年一遇工況的配筋量較小,按構(gòu)造配筋即可。

圖3 樁號(hào)0+249.5剖面垂直水流向拉應(yīng)力圖

圖4 樁號(hào)0+249.5剖面豎直向拉應(yīng)力圖

由計(jì)算可知,校核工況下,鼻坎的側(cè)墻和底板承受的拉力很大,計(jì)算所需鋼筋截面積較大,鋼筋不便布置,需要采取結(jié)構(gòu)措施降低拉應(yīng)力。

3.2 修改體型結(jié)果分析

為降低鼻坎拉應(yīng)力,嘗試對(duì)原設(shè)計(jì)體型進(jìn)行適當(dāng)修改,在側(cè)墻進(jìn)口頂部設(shè)置蓋板,蓋板長(zhǎng)度分別取10 m 、15 m 、17 m,厚度取 1 m 、2 m 、3 m 。計(jì)算結(jié)果表明,在鼻坎進(jìn)口頂部設(shè)置蓋板可以有效地減少側(cè)墻內(nèi)側(cè)豎向拉應(yīng)力,底板垂直水流向拉應(yīng)力也有所改善。隨蓋板長(zhǎng)度增加,側(cè)墻拉應(yīng)力改善越明顯;隨蓋板厚度增加,蓋板拉應(yīng)力變小,側(cè)墻外側(cè)拉應(yīng)力范圍和最值都有所增加。對(duì)比不同蓋板下鼻坎的應(yīng)力變形,蓋板長(zhǎng)度15 m、厚度2 m時(shí)鼻坎的應(yīng)力較優(yōu),結(jié)果見表3,校核工況應(yīng)力示意見圖5～圖6。

側(cè)墻進(jìn)口頂部加設(shè)一長(zhǎng)15 m、厚2 m的蓋板后,萬(wàn)年一遇校核工況下,側(cè)墻內(nèi)側(cè)受拉鋼筋的截面積大幅度減少,單寬1 m范圍內(nèi)側(cè)墻所需最大鋼筋截面積為12 757mm2,底板為26 094 mm2。和原設(shè)計(jì)體型相比,分別減少69%和28%。但側(cè)墻外側(cè)拉應(yīng)力區(qū)也需配置鋼筋,最大截面積為11 755 mm2。

表3 修改體型鼻坎應(yīng)力位移最大值表

圖5 樁號(hào)0+230.5剖面垂直水流向拉應(yīng)力圖

圖6 樁號(hào)0+230.5剖面豎直向拉應(yīng)力圖

3.3 預(yù)應(yīng)力結(jié)果分析

由于側(cè)墻底板拉應(yīng)力較大,嘗試采取預(yù)應(yīng)力效果。一是只在底板上加2 000 kN預(yù)應(yīng)力鋼筋,二是在底板和右側(cè)墻上加8 000 kN預(yù)應(yīng)力鋼筋。

和原設(shè)計(jì)相比,只在底板上施加2 000 kN預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí),底板拉應(yīng)力有所改善,所需鋼筋截面積約減少12%,側(cè)墻拉應(yīng)力基本沒有改變。

底板和右側(cè)墻施加8 000 kN預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí),側(cè)墻和底板拉應(yīng)力最值和分布范圍都有很大幅度減少,各斷面配筋面積約減少50%左右。單寬范圍內(nèi)側(cè)墻所需最大鋼筋截面積為24 475 mm2,底板為24 056 mm2。

3.4 結(jié)構(gòu)縫灌漿后結(jié)果分析

在側(cè)墻進(jìn)口設(shè)置蓋板以及采用預(yù)應(yīng)力鋼筋措施施工難度較大,經(jīng)研究決定,將1#～5#泄槽鼻坎之間的結(jié)構(gòu)縫進(jìn)行灌漿,使邊墻成為一個(gè)整體,同時(shí)在右側(cè)墻外側(cè)出口部位加一三角形塊混凝土,底寬6 m,高度為10 m。

考慮結(jié)構(gòu)縫灌漿措施,計(jì)算模型取2#泄槽一半、3#泄槽和4#泄槽一半進(jìn)行分析,分別在樁號(hào)0+221.5(出口 29 m)、0+225.5(出口 25 m)、0+230.5(出口 2 0m)、0+240.5(出口 10 m)、0+245.5(出口5 m)位置取剖面進(jìn)行平面有限元分析,左右及底部地基邊界均取法向約束。

本文限于篇幅,僅給出樁號(hào)0+240.5(出口10 m)的模型圖及應(yīng)力示意圖,見圖7～圖9。由于樁號(hào)0+220.5～0+230.5之間,4#泄槽鼻坎左側(cè)墻承受水壓力遠(yuǎn)大于3#泄槽鼻坎右側(cè)墻,故3#泄槽鼻坎右側(cè)墻的豎向應(yīng)力全部為壓。

根據(jù)應(yīng)力圖形計(jì)算的鋼筋截面積見表4～表5,最終確定配筋原則為:側(cè)墻內(nèi)側(cè)豎向受力鋼筋布置多排,鋼筋在不同高程截?cái)?。底板受力鋼筋在進(jìn)口15 m布置兩排,其余布置三排。

圖7 鼻坎二維有限元模型圖(出口10 m)

圖8 鼻坎垂直水流向拉應(yīng)力圖(出口10 m)

結(jié)構(gòu)縫不灌漿時(shí),在五百年一遇洪水工況下,各剖面鼻坎計(jì)算所需的鋼筋面積見表7,采用的鋼筋布置可以滿足要求。

圖9 鼻坎豎直向拉應(yīng)力圖(出口10 m)

表4 鼻坎左側(cè)墻鋼筋計(jì)算表 單位:mm2

表5 鼻坎右側(cè)墻鋼筋計(jì)算表 單位:mm2

表6 鼻坎底板鋼筋計(jì)算表 單位:mm2

表7 鼻坎鋼筋計(jì)算表 單位:mm2

4 結(jié) 論

(1)水布埡溢洪道泄槽鼻坎配筋受校核工況(萬(wàn)年一遇)控制,原設(shè)計(jì)體型(即不采取特別結(jié)構(gòu)措施時(shí))校核工況下側(cè)墻、底板按常規(guī)配筋難以滿足配筋要求。

(2)在側(cè)墻進(jìn)口設(shè)置蓋板或采取預(yù)應(yīng)力鋼筋后配筋仍難滿足要求,且施工難度較大,不推薦采用此兩種措施。

(3)推薦采用將相鄰鼻坎之間的結(jié)構(gòu)縫灌漿,及在有條件部位(右側(cè)墻離出口約10m范圍內(nèi)外側(cè))布置支撐結(jié)構(gòu)的措施。采用此結(jié)構(gòu)措施后,鼻坎的側(cè)墻、底板仍有拉應(yīng)力區(qū),通過配置受力配筋可以解決。

(4)按本文配筋原則配置受力鋼筋后,鼻坎下泄五百年一遇洪水時(shí),不計(jì)結(jié)構(gòu)縫灌漿的影響,配筋仍能滿足要求,滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。

[1]廖仁強(qiáng),向光紅.水布埡水利樞紐岸邊溢洪道設(shè)計(jì)[J].人民長(zhǎng)江,2007,38(7):26-27,73.

[2]楊啟貴,廖仁強(qiáng),陳代華,等.水布埡水利樞紐設(shè)計(jì)創(chuàng)新與實(shí)踐[J].人民長(zhǎng)江,2007,38(7):16-18.

[3]王勖成,邵 敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997.

[4]王宏碩,翁情達(dá).水工建筑物(專題部分)[M].北京:水利電力出版社,1999:149-150.

[5]長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.湖北清江水布埡水利樞紐可行性研究報(bào)告第三篇[R].武漢:長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,1998.

[6]電力工業(yè)部華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.DL/T 5057-1996.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)電力出版社,1996:105.

[7]李 圍.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例(第2版)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2007.

FEM Analysis on Spillway Chute's Bucket Lip of Shuibuya Project

XIA Chuan-xing,HUA Jun-jie,HUANG Yuan
(Changjiang Investigation and Planning Design Institute,Wuhan,Hubei430010,China)

The spillway of Shuibuya project is of big flood discharge capacity and high head,consequently,the stress state of the bucket lip is very complex under high water pressure,and it is difficult to arrange the reinforcement in the bucket lip because of large reinforcement quantity calculated by conventional mechanical method.The three-dimensional finite element analyses focusing on the stress and deformation of the bucket lip with different structural measures are performed here by ANSYS.Based on the finite element analysis,the reinforcing principle of the side wall and bottom plate is proposed.The research may provide a reference for similar projects.

Shuibuya project;spillway chute;bucket lip;3-D FEM;grouting

TV651.1

A

1672—1144(2012)05—0172—05

2012-03-22

2012-05-02

夏傳星(1978—),女(漢族),河南鄧州人,工程師,主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。