李 藝， 楊庚鑫

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072； 2.國(guó)電大渡河沙坪水電建設(shè)有限公司，四川 峨邊 614300)

1 概 況

某電站采用堤壩式開(kāi)發(fā)，樞紐建筑物包括攔河壩、兩岸泄洪及放空建筑物、地下引水發(fā)電系統(tǒng)等。設(shè)深孔泄洪洞，進(jìn)口為岸塔式結(jié)構(gòu)。根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行要求，進(jìn)水塔尺寸25 m×24 m×72.5 m(長(zhǎng)×寬×高)。進(jìn)水塔內(nèi)設(shè)事故檢修閘門一道，事故檢修閘門為平板門，孔口尺寸為12 m×13 m(寬×高)，閘門后面設(shè)置有通氣孔。進(jìn)水塔的布置及結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 深孔泄洪洞進(jìn)口塔體結(jié)構(gòu)形式

2 三維有限元計(jì)算建模

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

進(jìn)水塔的整體三維有限元計(jì)算模型如圖2所示，塔體(取結(jié)構(gòu)一半)離散模型如圖3所示。塔體、地基及回填混凝土部分采用實(shí)體單元solid45模擬。模型共分為93 629個(gè)節(jié)點(diǎn)，85 181個(gè)單元，并對(duì)塔體內(nèi)部的細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。

計(jì)算模型的邊界條件為：

塔體部分——下部邊界取至底板下表面，上部邊界取至進(jìn)水塔體頂部，計(jì)算中塔體模擬的總高度為72.5 m。

地基部分——向上游延長(zhǎng)30 m，向下游延長(zhǎng)約70 m；模型左側(cè)向外取22 m，右側(cè)向外取30 m；截?cái)嗟鼗目偢叨?70 m。

圖2 進(jìn)水塔離散模型

圖3 塔體離散模型

約束條件——模型的約束條件為：在截?cái)嗟膸r體四周邊界施加法向約束、基礎(chǔ)底部邊界施加全約束。

塔體右側(cè)和后部與回填混凝土及山體連接，前側(cè)面自由，塔體左側(cè)11 m處存在結(jié)構(gòu)縫，按最不利原則，以自由邊界考慮。取泄洪洞進(jìn)口塔體底板的上表面、塔體迎水面和塔體中軸面三個(gè)面的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，三軸的方向確定如下：X軸為水平方向，順?biāo)鞣较?，指向下游為正；Y軸為垂直水流方向，指向左岸為正，符合右手螺旋定則；Z軸為豎直方向，向上為正。

2.2 計(jì)算參數(shù)

本次計(jì)算采用Drucker-Prager模型來(lái)模擬泄洪洞進(jìn)口圍巖及地基巖體的本構(gòu)關(guān)系，塔體及回填混凝土采用線彈性本構(gòu)模型，研究進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)各種工況下的應(yīng)力變形狀態(tài)和規(guī)律。本次計(jì)算中所采用的混凝土計(jì)算參數(shù)選取詳見(jiàn)表1。塔體大部分采用C25混凝土，回填部分采用C10混凝土。

表1 進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)混凝土力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算工況及荷載

擬定塔體結(jié)構(gòu)靜力分析的主要計(jì)算工況共7種，各工況具體荷載組合說(shuō)明見(jiàn)表2。

表2 泄洪洞進(jìn)口塔體結(jié)構(gòu)計(jì)算工況及荷載組合

3 應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)計(jì)算成果分析

3.1 工況一(施工完建期一)

工況一主要荷載為結(jié)構(gòu)自重和風(fēng)荷載，本節(jié)計(jì)算成果見(jiàn)圖4、5。主要分析結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵部位在靜力荷載作用下的位移和應(yīng)力分布情況。

塔體整體應(yīng)力情況：第一主應(yīng)力σ1，塔體主拉應(yīng)力主要位于流道頂板表層、底板的上表層特別是通氣孔之后的流道頂板表層。第一主應(yīng)力最大值為1.00 MPa，位于通氣孔之后的流道頂板表層，如圖4所示。通氣孔之后的流道頂板表層以垂直水流y方向的拉應(yīng)力為主，結(jié)構(gòu)整體滿足規(guī)范對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度要求。第三主應(yīng)力σ3，塔體基本處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為-5.04 MPa，位于流道進(jìn)口左側(cè)底部與邊墩交界處，結(jié)構(gòu)整體各部位均滿足混凝土抗壓強(qiáng)度要求。

塔體變形分析：結(jié)構(gòu)綜合位移最大值為4.76 mm，如圖5所示。出現(xiàn)在塔體頂部上游側(cè)左角點(diǎn)處，且有在順?biāo)飨蜻f減、沿高度方向遞增的趨勢(shì)。由塔體結(jié)構(gòu)的各向位移云圖可以看出，塔體順?biāo)飨蚝痛怪彼飨虻淖冃尉苄?，不?.0 mm，而豎直向變形相對(duì)較大，最大值為4.52 mm，位于塔體頂部上游側(cè)左角點(diǎn)處。這主要由于結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱且所受荷載也基本對(duì)稱，故在結(jié)構(gòu)自重作用下，豎向變形明顯。流道和閘門槽結(jié)構(gòu)部位的各向位移均較小。

圖4塔體第一主應(yīng)力σ1云圖

圖5塔體綜合位移Usum云圖

3.2 工況二(施工完建期二)

完建遇溫降工況中，在結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)壓力和溫度荷載(溫降5℃)作用下，對(duì)泄洪洞進(jìn)口塔體進(jìn)行靜力分析。此時(shí)，主要考慮結(jié)構(gòu)整體完建后氣溫變化，混凝土結(jié)構(gòu)整體受到5℃的穩(wěn)態(tài)溫差作用。計(jì)算成果見(jiàn)圖6、7。

塔體整體應(yīng)力情況：第一主應(yīng)力σ1，塔體主拉應(yīng)力主要位于流道頂板表面、底板上表面以及胸墻下部流道頂板進(jìn)口唇部與邊墩連接處的條帶狀區(qū)域。第一主應(yīng)力最大值為2.02 MPa，位于胸墻下部流道頂板進(jìn)口唇部與邊墩連接處的條帶狀區(qū)域，如圖6所示。在小范圍內(nèi)折減至1.19 MPa以內(nèi)，胸墻流道進(jìn)口唇部與門槽連接處以垂直水流向y方向的拉應(yīng)力為主。結(jié)構(gòu)整體基本滿足規(guī)范對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度要求。第三主應(yīng)力σ3，塔體基本處于受壓狀態(tài)。最大壓應(yīng)力為-3.65 MPa，位于喇叭口左側(cè)與底板交接處，結(jié)構(gòu)整體各部位均滿足混凝土抗壓強(qiáng)度要求。

塔體變形分析：結(jié)構(gòu)綜合位移最大值為7.33 mm，如圖7所示，出現(xiàn)在塔體頂部上游側(cè)左角點(diǎn)處，且有在順?biāo)飨蜻f減、沿高度方向遞增的趨勢(shì)。由塔體結(jié)構(gòu)的各向位移云圖可以看出，塔體順?biāo)飨蚝痛怪彼飨虻淖冃蜗鄬?duì)較小，變形值在2 mm左右，而豎直向變形較大，最大值為7.31 mm，位于塔體頂部上游側(cè)左角點(diǎn)處。這主要由于結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱，在自重情況下受溫降的影響，結(jié)構(gòu)收縮變形下沉，因而豎向變形較為明顯，且超過(guò)完建工況一的豎向變形。流道和閘門槽結(jié)構(gòu)部位的各向位移均較小。

3.3 工況三(正常蓄水位泄洪)

在正常蓄水位泄洪工況下，結(jié)構(gòu)的主要荷載為結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力和浪壓力。由于檢修閘門開(kāi)啟泄洪，流道內(nèi)充滿水，需要重點(diǎn)關(guān)注流道孔口、內(nèi)壁及塔體內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移情況。計(jì)算成果見(jiàn)圖8、9。

圖6塔體第一主應(yīng)力σ1云圖(右側(cè))

圖7塔體綜合位移Usum云圖

塔體整體應(yīng)力情況：第一主應(yīng)力σ1，塔體主拉應(yīng)力主要位于流道內(nèi)壁表面與右側(cè)邊墻交接處、胸墻左右側(cè)與邊墩交接外側(cè)等部位。第一主應(yīng)力最大值為1.27 MPa，位于流道孔口底板前沿區(qū)域，如圖8所示。結(jié)構(gòu)整體主拉應(yīng)力較小，滿足規(guī)范對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度要求。第三主應(yīng)力σ3，塔體基本處于受壓狀態(tài)。最大壓應(yīng)力為-7.99 MPa，位于底板下游左側(cè)門槽附近，結(jié)構(gòu)整體各部位均滿足混凝土抗壓強(qiáng)度要求。

塔體變形分析：結(jié)構(gòu)綜合位移最大值為5.36 mm，出現(xiàn)在塔體頂部上游側(cè)左角點(diǎn)處，如圖9所示，且有在順?biāo)飨蜻f減、沿高度方向遞增的趨勢(shì)。由塔體結(jié)構(gòu)的各向位移云圖可以看出，塔體順?biāo)飨蚝痛怪彼飨虻淖冃尉苄?，不?.0 mm，而豎直向變形相對(duì)較大，最大值為-6.06 mm，位于塔體右側(cè)面中部。這主要由于結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱且所受荷載也基本對(duì)稱，故在結(jié)構(gòu)自重和內(nèi)水壓力作用下，豎向變形明顯。

圖8塔體第一主應(yīng)力σ1云圖

圖9塔體綜合位移Usum云圖

3.4 工況四(正常蓄水位擋水)

在正常蓄水位擋水工況下，結(jié)構(gòu)的主要荷載為：結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力和浪壓力。由于檢修閘門的關(guān)閉，流道閘門槽后部無(wú)水，使得塔體流道孔口及內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移結(jié)果與工況三有所區(qū)別。計(jì)算成果見(jiàn)圖10、11。

塔體整體應(yīng)力情況：第一主應(yīng)力σ1，塔體主拉應(yīng)力主要位于流道內(nèi)壁表面、閘門槽等部位。第一主應(yīng)力最大值為4.43 MPa，位于平板閘門右側(cè)門槽下部角點(diǎn)，如圖10所示，角點(diǎn)處存在較大的應(yīng)力集中。結(jié)構(gòu)在門槽部分部位不滿足抗拉強(qiáng)度。第三主應(yīng)力σ3，塔體基本處于受壓狀態(tài)。最大壓應(yīng)力為-6.59 MPa，位于左側(cè)底板與邊墩后部交接處，而結(jié)構(gòu)整體各部位均滿足混凝土抗壓強(qiáng)度要求。

塔體變形分析：結(jié)構(gòu)綜合位移最大值為5.41 mm，出現(xiàn)在塔體頂部上游側(cè)左角點(diǎn)處，且有在順?biāo)飨蜻f減、沿高度方向遞增的趨勢(shì)，如圖11所示。由塔體結(jié)構(gòu)的各向位移云圖可以看出，塔體順?biāo)飨蚝痛怪彼飨虻淖冃尉苄?，不?.1 mm，而豎直向變形相對(duì)較大，最大值為-5.36 mm，位于塔體頂部上游側(cè)左角點(diǎn)處。這主要由于結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱且所受荷載也基本對(duì)稱，故在結(jié)構(gòu)自重和內(nèi)水壓力作用下，豎向變形明顯。流道和閘門槽結(jié)構(gòu)部位的各向位移均較小，胸墻結(jié)構(gòu)由于在水推力及重力作用下，各向位移相對(duì)較大。

圖10塔體第一主應(yīng)力σ1云圖

圖11塔體綜合位移Usum云圖

3.5 工況五(正常蓄水位泄洪+溫降)

在正常蓄水位泄洪遇溫降工況下，結(jié)構(gòu)的主要荷載為：結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力和溫度荷載(溫降5℃)。計(jì)算成果見(jiàn)圖12、13。

塔體整體應(yīng)力情況：第一主應(yīng)力σ1，由于溫度荷載作用，塔體主拉應(yīng)力較正常泄洪時(shí)局部有明顯增大。主要位于底板上側(cè)表層與右側(cè)邊墻交接的條帶狀區(qū)域，如圖12所示。第一主應(yīng)力最大值為3.37 MPa；從正應(yīng)力分布上看，主拉應(yīng)力的大值區(qū)主要以垂直水流向的正應(yīng)力為主，需要進(jìn)行該方向配筋處理。塔體結(jié)構(gòu)大部分應(yīng)力在-0.96～2.51 MPa范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體不滿足規(guī)范對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度要求，需進(jìn)行配筋處理。第三主應(yīng)力σ3，塔體基本處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為-6.66 MPa，位于左側(cè)閘門槽部位底板與邊墻交接處，結(jié)構(gòu)整體各部位均滿足混凝土抗壓強(qiáng)度要求。

塔體變形分析：結(jié)構(gòu)綜合位移最大值為8.17 mm，出現(xiàn)在塔體頂部上游側(cè)左角點(diǎn)處，如圖13所示，且有在順?biāo)飨蜻f減、沿高度方向遞增的趨勢(shì)。由塔體結(jié)構(gòu)的各向位移云圖可以看出，塔體順?biāo)飨蚝痛怪彼飨虻淖冃尉苄?，不?.0 mm，而豎直向變形相對(duì)較大，最大沉降達(dá)-8.10 mm，位于塔體頂部上游側(cè)左角點(diǎn)處。

圖12底板第一主應(yīng)力σ1云圖

圖13塔體綜合位移Usum云圖

3.6 工況六(正常蓄水位擋水+溫降)

在正常蓄水位擋水遇溫降工況下，結(jié)構(gòu)的主要荷載為結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力和溫度荷載(溫降5℃)。計(jì)算成果見(jiàn)圖14、15。

塔體整體應(yīng)力情況：第一主應(yīng)力σ1，塔體主拉應(yīng)力主要位于流道內(nèi)壁表面、閘門槽以及流道前部頂板下側(cè)與邊墻交接區(qū)域。由于溫降作用，第一主應(yīng)力最大值為7.00 MPa，位于平板閘門右側(cè)門槽角點(diǎn)處，如圖14所示，角點(diǎn)處存在較大的應(yīng)力集中，在很小范圍內(nèi)迅速減為3.01 MPa。此外，底板上游表層與右邊墻的交接處拉應(yīng)力也較大，達(dá)到3.01 MPa。結(jié)構(gòu)基本不滿足混凝土的抗拉強(qiáng)度要求，需進(jìn)行配筋處理。第三主應(yīng)力σ3，塔體基本處于受壓狀態(tài)。最大壓應(yīng)力為-6.05 MPa，塔體結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力主要分布在-6.05～0.13 MPa范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體各部位均滿足混凝土抗壓強(qiáng)度要求。

圖14塔體第一主應(yīng)力σ1云圖(右側(cè))

圖15塔體綜合位移Usum云圖

塔體變形分析：結(jié)構(gòu)綜合位移最大值為8.23 mm(見(jiàn)圖15)，出現(xiàn)在塔體頂部上游側(cè)左角點(diǎn)處，且有在順?biāo)飨蜻f減、沿高度方向遞增的趨勢(shì)。由塔體結(jié)構(gòu)的各向位移云圖可以看出，塔體順?biāo)飨蚝痛怪彼飨虻淖冃尉苄?，不?.5 mm。而豎直向變形相對(duì)較大，最大值為-8.16 mm，位于塔體頂部上游側(cè)左角點(diǎn)處，這主要由于結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱且所受荷載也基本對(duì)稱，故在結(jié)構(gòu)自重、內(nèi)水壓力和溫度荷載作用下，豎向變形明顯。流道和閘門槽結(jié)構(gòu)部位的各向位移均較小，胸墻結(jié)構(gòu)由于在水推力及重力作用下，各向位移相對(duì)較大。

3.7 工況七(校核洪水位泄洪)

在校核洪水位泄洪工況下，結(jié)構(gòu)的主要荷載為：結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力。由于水位較高情況下檢修閘門開(kāi)啟泄洪，流道孔口、內(nèi)壁、胸墻等結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力、位移響應(yīng)與工況一正常蓄水位泄洪有所區(qū)別，計(jì)算成果見(jiàn)圖16、17。

塔體整體應(yīng)力情況：第一主應(yīng)力σ1，塔體主拉應(yīng)力主要位于流道內(nèi)壁表面、閘門槽以及塔體頂部交通橋部位。第一主應(yīng)力最大值為1.28 MPa，位于流道孔口底板與右側(cè)邊墩交接區(qū)域表層，如圖16所示。結(jié)構(gòu)整體在該工況下主拉應(yīng)力較小，基本滿足規(guī)范對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度要求。第三主應(yīng)力σ3，塔體基本處于受壓狀態(tài)。最大壓應(yīng)力為-7.03 MPa，位于左側(cè)閘門槽的底板與邊墩交接處，而結(jié)構(gòu)整體各部位均滿足混凝土抗壓強(qiáng)度要求。

塔體變形分析：結(jié)構(gòu)綜合位移最大值為5.43 mm，出現(xiàn)在塔體頂部上游側(cè)左角點(diǎn)處，如圖17所示，且有在順?biāo)飨蜻f減、沿高度方向遞增的趨勢(shì)。整體上，塔體三向位移和綜合位移的分布規(guī)律與正常蓄水位泄洪工況位移分布規(guī)律一致。由塔體結(jié)構(gòu)的各向位移云圖可以看出，塔體順?biāo)飨蚝痛怪彼飨虻淖冃尉苄?，不? mm，而豎直向變形相對(duì)較大，最大值達(dá)-5.40 mm，位于塔體頂部上游側(cè)左角點(diǎn)處，豎向變形明顯。

圖16塔體第一主應(yīng)力σ1云圖(右側(cè))

圖17塔體綜合位移Usum云圖

4 結(jié) 語(yǔ)

4.1 應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律分析

在各靜力工況下，塔體的應(yīng)力場(chǎng)符合一般規(guī)律，進(jìn)水塔靜力工況主應(yīng)力最大值及出現(xiàn)位置匯總見(jiàn)表3。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在正常蓄水位擋水工況下，數(shù)值為-7.99 MPa，出現(xiàn)底板下游左側(cè)門槽附近，滿足混凝土抗壓強(qiáng)度要求；最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在正常蓄水位擋水+溫降工況，值為7.00 MPa，位于平板閘門右側(cè)門槽角點(diǎn)處，角點(diǎn)處存在較大的應(yīng)力集中，在很小范圍內(nèi)迅速減為3.01 MPa。比較各靜力工況可以看出，在溫降工況下，由于混凝土材料與基巖材料的熱膨脹系數(shù)的差異，塔體底板后部與塔背圍巖交接處以及塔體結(jié)構(gòu)內(nèi)部邊角點(diǎn)出現(xiàn)了較大的表層張拉應(yīng)力，需關(guān)注塔體關(guān)鍵部位在溫度作用下的應(yīng)力變化，對(duì)比工況一和工況二，建議加強(qiáng)施工期溫控防裂工作。各工況應(yīng)力較集中的部位，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的配筋設(shè)計(jì)。排除應(yīng)力集中區(qū)域，其余各工況塔體整體各部位基本滿足混凝土抗拉強(qiáng)度要求。

4.2 位移場(chǎng)特征分析

靜力工況下進(jìn)水塔靜力工況位移極值匯總見(jiàn)表4。在各靜力工況下，塔體的位移場(chǎng)分布規(guī)律基本一致：綜合位移的最大值均出現(xiàn)在塔頂上游側(cè)角點(diǎn)處，結(jié)構(gòu)綜合位移表現(xiàn)出順?biāo)鞣较蜻f減和沿高程遞增的趨勢(shì)。在工況二(完建溫降)情境下， 塔體的綜合位移較大，達(dá)到7.33 mm；工況六(正常蓄水位擋水溫降)情境下，塔體的綜合位移為各工況下最大，達(dá)到8.23 mm。這主要是由于結(jié)構(gòu)自重和混凝土溫降收縮造成的。在靜力各工況下，塔體結(jié)構(gòu)順?biāo)骱痛怪彼飨虻奈灰凭淮?，綜合位移表現(xiàn)為以豎直方向的位移為主。

表3 進(jìn)水塔靜力工況主應(yīng)力最大值及出現(xiàn)位置匯總

表4進(jìn)水塔靜力工況位移極值匯總mm

位移工況UxUyUzUsum完建工況-1.560.64-4.524.76完建溫降工況-1.420.96-7.317.33正常蓄水泄洪1.48-0.61-5.305.36正常蓄水擋水2.09-0.66-5.365.41正常蓄水泄洪溫降2.98-1.40-8.108.17正常蓄水擋水溫降3.46-1.47-8.168.23校核洪水泄洪1.93-0.70-5.405.43