茹秋瑾，李曉琳

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

厄瓜多爾德爾西水電站為引水式電站，電站裝機(jī)容量180 MW，多年平均發(fā)電量12.181億kW·h，水輪發(fā)電機(jī)采用3臺沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量60 MW，額定引用流量為42.3 m3/s，額定水頭495 m。水庫上游最高運(yùn)行水位為1491.00 m，水庫庫容60.4萬m3，最大毛水頭是534.7 m。尾水渠是電站的重要泄水建筑物，尾水渠擋墻的結(jié)構(gòu)計(jì)算的正確與否關(guān)系到電站泄水的安全，本文擬通過ANSYS軟件，建立有限元計(jì)算模型，對尾水渠擋墻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，以期對類似工程有借鑒作用。

1 尾水建筑物布置

樞紐建筑物主要由首部樞紐、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)、發(fā)電廠房及其附屬設(shè)施組成。尾水渠擋土墻分兩個(gè)斷面，斷面1底高程為949.40 m，頂高程956.50 m。斷面2底高程為948.40 m，頂高程956.50 m，擋墻上部回填區(qū)坡度均為1∶1.5，采用植草護(hù)坡。尾水渠主要分為兩段，上游段樁號為PD0+006.60～PD0+020.00（斷面 1）和下游段樁號 PD0+020.00～PD0+028.00（斷面2）這兩段的尾水渠擋墻體型見圖1尾水渠擋墻體型圖。

圖1 尾水渠擋墻體型圖（單位:cm)

2 擋墻結(jié)構(gòu)分析

2.1 基本資料

基礎(chǔ)座落在中風(fēng)化片麻巖上部，根據(jù)德爾西水電站地質(zhì)報(bào)告對巖體工程質(zhì)量分級及物理力學(xué)參數(shù)建議，基礎(chǔ)為Ⅲ級巖體，最大可信地震MCE水平地震加速度為0.28 g?；炷翉?qiáng)度：f’c=21 MPa，混凝土容重：γc=24 kN/m3。機(jī)組滿發(fā)正常運(yùn)行尾水渠尾水位950.59 m（樁號PD0+006.60）、950.57 m（樁號PD0+021.00），200年一遇洪水水位955.24 m（樁號PD0+006.60）、955.24 m（樁號PD0+021.00）。

2.2 工況組合

對于施工工況考慮干地施工條件，墻后填土采用天然容重。對于正常運(yùn)行、地震工況、檢修工況，墻后填土不完全浸沒于水中。由于在非洪水工況時(shí)，水位較低，水位沒有超過950.90 m高程。因此，只在洪水工況下水位下填土、地基土均采用浮容重，水位上填土采用天然容重，其余工況均采用天然容重計(jì)算。計(jì)算中對于土體的自重和土壓力的計(jì)算，采用計(jì)算出數(shù)值，施加在有限元模型上的方式。對于擋墻自身的重量及地震慣性力，通過給其施加自重，以及修改地震慣性力的大小、方向的方式進(jìn)行施加。計(jì)算工況及其荷載組合見表1。

表1 擋土墻荷載作用組合

2.3 荷載計(jì)算

根據(jù)美國規(guī)范《RETAINING AND FLOOD WALLS》（EM1110-2-2502)，對擋土墻各種組合的荷載系數(shù)如下：工況1：U=1.4Hf×D；工況 2：U=Hf(1.4D+1.7L)；工況 3：U=Hf(1.4D+1.7L)；工況 4：U=0.75(1.0Hf(D+L)+1.25E)；上面式中：D表示死荷載；L 表示活荷載；Hf表示水力系數(shù)，取值1.3；E表示地震荷載。

水平作用力指向墻背、豎直力鉛直向下均為正。荷載計(jì)算時(shí)，取單寬1 m進(jìn)行計(jì)算。對于擋墻上部的土體自重荷載，根據(jù)其高度，按照分布荷載，施加在擋墻上部。其中工況1、2、4擋土墻上部土體及水重荷載為682.85 kN，工況3擋墻上部土體及水重荷載為702.15 kN。由于墻后土體設(shè)置排水孔，墻背跟墻面受的靜水水平壓力相互平衡。在程序中，只需設(shè)定地震加速度的方向和大小，經(jīng)過計(jì)算即可得到擋墻各部位地震力及其產(chǎn)生的應(yīng)力場分布。揚(yáng)壓力、土壓力荷載詳見表 2、3、4。

表2 揚(yáng)壓力計(jì)算表（斷面1）

表3 非地震工況主動土壓力計(jì)算（斷面1）

表4 非地震工況主動土壓力計(jì)算（斷面2）

依據(jù)美國相關(guān)規(guī)范計(jì)算各荷載數(shù)值，尾水渠擋墻計(jì)算簡圖見圖2。

圖2 尾水渠擋墻計(jì)算簡圖

3 有限元計(jì)算模型

3.1 遵循原則

對實(shí)體幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分遵循以下原則：

（1）符合建筑物受力特點(diǎn)。

從整體來看，該壩段變形整體上看以拉壓變形為主。

（2）單元應(yīng)能夠反映應(yīng)力集中。

按照本工程的實(shí)際情況，在應(yīng)力梯度較大部位的單元尺寸一般不超過0.1 m。

（3）單元的形態(tài)良好。

3.2 模型建立

（1）結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系

模型的建立采用整體笛卡爾坐標(biāo)系。土壓力方向?yàn)閄方向，豎直向上方向?yàn)閅方向，原點(diǎn)為圖2中的A點(diǎn)。

（2）幾何模型詳見圖3擋土墻計(jì)算模型

圖3 擋土墻計(jì)算模型

（3）有限元模型

本計(jì)算采用PLANE183平面單元進(jìn)行劃分。對于擋土墻，斷面1總結(jié)點(diǎn)數(shù)4136，總單元數(shù)1305；斷面2總結(jié)點(diǎn)數(shù)3916，總單元數(shù)1235。按照上述原則剖分的有限元模型，見圖4擋墻有限元模型。

圖4 擋墻有限元模型

3.3 擋土墻計(jì)算結(jié)果

尾水渠擋墻上游段（斷面1）、擋墻下游段（斷面2），分別對這兩個(gè)斷面進(jìn)行工況1、工況2、工況3、工況4，進(jìn)行應(yīng)力圖分析。限于篇幅本文不列出各個(gè)工況下的應(yīng)力圖。

由以上的計(jì)算結(jié)果，可知擋土墻斷面1和斷面2各工況下的應(yīng)力及位移分布，其極值如表5和表6所示。

通過對兩個(gè)斷面各個(gè)工況的最大應(yīng)力值進(jìn)行對比，對于斷面1，可以看出施工完建時(shí)，所有的應(yīng)力值以及位移值均大于其他工況。對于斷面2，可以看出正常運(yùn)行時(shí)，所有的應(yīng)力值以及位移值均大于其他工況。鑒于此，對于斷面1，選取工況1作為控制工況，進(jìn)行應(yīng)力積分，對于斷面2，選取工況2作為控制工況，進(jìn)行應(yīng)力積分。

表5 擋土墻斷面1各工況應(yīng)力位移最大值匯總（應(yīng)力單位：MPa，位移單位：mm)

表6 擋土墻斷面2各工況應(yīng)力位移最大值匯總（應(yīng)力單位：MPa，位移單位：mm)

由前面的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，擋土墻斷面1，斷面2水平向和豎直向拉應(yīng)力較大的位置都是相同的，對于X向應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在墻踵上部和墻斜交的位置；對于Y向應(yīng)力，出現(xiàn)在擋墻后坡變坡處。因此選取如圖5所示的積分路徑，分別對X向和Y向應(yīng)力進(jìn)行積分。

圖5 積分路徑示意

下面對斷面1和斷面2的擋墻最大斷面進(jìn)行積分。應(yīng)力積分結(jié)果見圖6、圖7，淺藍(lán)色線表示沿積分路徑的應(yīng)力值，紫色線表示積分得到的力的大小。

圖6 斷面1擋墻水平向應(yīng)力積分結(jié)果（PATH1）

圖7 斷面1擋墻豎直向應(yīng)力積分結(jié)果（PATH2）

由上圖所示的應(yīng)力積分結(jié)果，再根據(jù)配筋公式各部位的配筋面積如下表7和表8所示

表7 斷面1應(yīng)力配筋計(jì)算

表8 斷面2應(yīng)力配筋計(jì)算

通過計(jì)算可以看出斷面1和斷面2，均需要在底板處配直徑18 mm，間距200 mm的鋼筋。對于抗剪，混凝土自身已經(jīng)可以滿足抗剪要求，無需配置鋼筋。

4 結(jié)語

本文針對厄瓜多爾德爾西水電站的具體情況，該水電站尾水渠擋土墻斷面有兩種，分別為斷面1和斷面2，文中首先對擋墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，在施工完建、正常運(yùn)行、200年一遇洪水、正常運(yùn)行+最大可信地震四種工況下，進(jìn)行荷載計(jì)算，建立有限元模型分別對擋墻的兩個(gè)斷面進(jìn)行應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)顯示：斷面1和斷面2，均需要在底板處配直徑18 mm，間距200 mm的鋼筋。對于抗剪，混凝土自身已經(jīng)可以滿足抗剪要求，無需配置鋼筋。該水電站已經(jīng)完工運(yùn)行一段時(shí)間，實(shí)踐證明計(jì)算結(jié)果安全可靠。在電站尾水擋渠的結(jié)構(gòu)計(jì)算過程種，可以參照以上設(shè)立工況組合，安全可靠，具有一定的推廣價(jià)值。