尚俊偉，朱翠民，彭光華，皇甫澤華，倫冠海，劉武斌

（1．中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司，安徽 合肥230000；2．河南省豫東水利工程管理局，河南開封475000；3．河南省前坪水庫建設管理局，河南 鄭州450003；4．南京水利科學研究院，江蘇 南京210029）

泄洪洞作為水庫的重要泄洪通道，與水庫的安全運行密切相關。泄洪洞進水塔是泄洪洞最核心的建筑物，布置復雜且屬于高聳結構，其結構安全影響全局。前坪水庫作為一座以防洪為主的大型水利樞紐工程，同時具有灌溉、供水及發(fā)電等綜合功能。泄洪洞全長614 m，布置于大壩左岸，是水庫重要的泄洪建筑物之一，承擔著50 a一遇及其以下洪水的全部下泄任務（最大泄流量1 000 m3／s），同時配合溢洪道下泄50 a一遇以上洪水（最大泄流量1 410 m3／s），其主要建筑物級別為2級。

泄洪洞工程從上游至下游主要由進水引渠段、進口控制段（進水塔）、洞身段、消能防沖段4部分組成。隧洞為無壓洞，根據相關資料和規(guī)范［1-3］，洞身斷面采用城門洞形，進水塔閘室采用有壓短管型。由于前坪水庫泄洪洞流量大、流速急（最大泄洪流速達27 m／s）、水頭高（最大擋水高度43 m，工作閘門支鉸大梁承受著3 000 t的巨大水推力），閘室結構復雜，因此閘室的結構計算成為類似深式泄洪洞工程［4-7］設計的重點和難點。

隨著技術的進步，目前采用空間三維有限元法對復雜結構體進行計算分析已經成為一種趨勢，我國現有的大型水庫工程［8-10］、水電站工程［11-13］進水塔分析越來越多地采用該方法。但鑒于水利工程個體的差異性，工程的地質、運行條件和結構布置各不相同，設計時在借鑒類似工程經驗的基礎上，需結合工程實際，通過計算確定該工程的重點部位，并采取合理的工程措施以保證其結構安全。

1 地形、地質條件

根據地質勘查報告，進口洞臉邊坡巖體陡傾角裂隙發(fā)育，裂隙走向以北西向、北東向為主，受北西向裂隙構造影響，巖體多呈鑲嵌碎裂結構，完整性較差。其主要裂隙產狀 10°∠75°、290°∠60°，與進口洞臉邊坡以 35°、25°角度相交，夾角 38°（逆坡向）、57°（順坡向），290°∠60°一組對洞臉穩(wěn)定影響較大。裂隙對進口左岸邊坡穩(wěn)定沒有明顯影響，對進口右岸邊坡穩(wěn)定有較顯著的影響。

進水塔閘室段大部分位于弱風化帶下安山玢巖上，屬于Ⅲ類巖體。安山玢巖飽和單軸抗壓強度平均為 64．7 MPa，普氏堅固系數 f＝6～8，閘室地基為安山玢巖，巖體抗剪斷摩擦系數 f′＝ 0．9，黏聚力 C′＝ 0．7 MPa，變形模量為 5．0 GPa，承載力為 18 MPa。 混凝土與巖體之間的建議抗剪斷摩擦系數為f′＝0．9，黏聚力C′＝ 0．7 MPa。

2 進水塔閘室結構布置

根據功能布置及水力計算要求，進水塔進口采用有壓短管形式。閘底板頂部高程為360．00 m，平面尺寸為 38．0 m×17．5 m（順水流向×垂直水流向），厚度為4．0 m。進水塔下部：上游為壓力短管，下游腔體為弧門室。工作閘門采用弧形鋼結構閘門，孔口尺寸為6．5 m×7．5 m（寬×高）。事故檢修閘門采用平板鋼結構閘門，孔口尺寸為 6．5 m×9．1 m（寬×高）。 壓力短管、弧門室上部分別與檢修門井和工作門井相通，兩井之間采用隔墻分開。檢修門井內設閘門檢修平臺，平臺頂高程為405．00 m；工作門井內部設梁板式啟閉平臺，平臺頂高程386．00 m。豎井平面形式為封閉式框架結構，頂部設啟閉機房，分為4層，平面尺寸為25．8 m×14．5 m（順水流向×垂直水流向）。豎井兩側邊墻高程377．5 m 以下厚度為 5．5 m，高程 377．5 m 以上厚度為3．2～1．7 m。 高程 424．5 m 設置一座長 24 m 的交通橋與通往大壩的道路相連。

閘室在開挖巖體基礎上澆筑，鑒于穩(wěn)定及施工開挖要求，高程386．5 m以下采用垂直開挖，高程386．5～406．0 m范圍內邊坡開挖坡比為 1∶0．3，并在高程406．0 m處布置馬道，馬道寬度為5．0 m。塔體后背墻與邊坡之間采用混凝土回填，回填后形成寬11．1 m的平臺。非汛期擋水時弧形工作閘門通過支鉸將水推力傳遞給混凝土大梁，大梁高9．5 m、寬7．59 m，背靠巖體共同承受閘門水推力的作用。

高程384．1 m以下的進水塔主體結構均采用C40混凝土，高程384．1 m以上主體結構采用C30混凝土。進水塔閘底板、閘墩、胸墻、隔墻、洞臉墻形成了一個復雜的空間結構，具體布置見圖1。

圖1 泄洪洞進水塔縱剖面（單位：m）

3 閘室結構有限元分析

本次有限元分析采用大型商業(yè)軟件ABAQUS來完成，其在工程中已經得到廣泛應用［14-17］。

3．1 計算重點

根據進水塔結構特點及運行條件，弧形工作門擋水時，弧門水荷載近似以集中力作用于支鉸大梁，可能使梁身應力及其與側墻接觸位置剪應力較加大；事故檢修平板門時，可能使閘門槽處附近拉應力和剪應力加大；閘墩、底板受外水壓力作用時會產生較大拉應力。故選取弧形閘門支鉸大梁、平板（事故）閘門門槽、進水塔側墻、底板等重點部位進行分析。

3．2 材料參數選取

本次計算采用線彈性模型，進水塔混凝土彈性模量取25 GPa，泊松比取0．167；基巖部分彈性模量取5 GPa，泊松比取 0．250。

3．3 三維有限元模型

因進水塔結構及受荷對稱，故可取一半模型進行計算分析。從偏于安全的角度考慮，山體的支撐作用可忽略不計，有限元模型如圖2所示。有限元計算模型主體部分為進水塔，進水塔底面至頂部高68．5 m，底板長38 m，取底板半寬為8．75 m。進水塔底部向下取15 m作為塔下基巖部分（當計算底板應力時，忽略基巖的約束作用）。

圖2 進水塔閘室有限元模型

3．4 坐標系

為方便計算結果的整理，計算中采用了兩套坐標系。

（1）整體坐標系。x軸為順水流方向，y軸為垂直水流方向，z軸為豎直方向。整理結果時，除了支鉸大梁部分，其余均采用整體坐標系。

（2）局部坐標系。x′軸為支鉸大梁所受推力方向，y′軸為垂直水流方向（與整體坐標系y方向相同），z′軸與x′軸和y′軸垂直，遵循右手螺旋法則。支鉸大梁應力分析時使用局部坐標系。

3．5 計算工況

（1）設計擋水工況。工作門前擋水位為403．0 m，弧形門關閉。

（2）設計泄洪工況。上游為500 a一遇泄洪水位417．2 m，弧形門開啟。

（3）事故檢修工況。事故檢修門前擋水位403．0 m，平板門開啟。

3．6 荷載及組合

本次計算對于不同的重點分析對象，荷載作用分別按最不利假設考慮。

（1）弧門工作時支鉸大梁位置的應力。只考慮作用于弧門上的水荷載。

（2）平板閘門工作時門槽附近的應力。只考慮作用在平板閘門上的水荷載。

（3）外側靜水壓力作用下側墻的應力?？紤]側墻外壁靜水壓力，支鉸大梁附近外側水壓力未考慮，內壁靜水壓力也不考慮，該情況為計算的最不利情況。

（4）底板應力?？紤]側墻四周靜水壓力與底板底部所受揚壓力。

從文化生態(tài)學理論的角度看，“非遺”的傳承、保護和發(fā)展成效主要受代表性傳承人，傳承保護的內容、方式、機制，以及整體機理的構建等因素的影響。這些要素綜合起來，構成了“非遺”傳承保護的生態(tài)環(huán)境。它們以不同的方式組合起來，構成了“非遺”傳承保護模式。江蘇的“非遺”傳承保護主要存在以下四種模式。

3．7 約束條件

（1）約束一?；鶐r底面約束x向位移與z向位移，對稱面約束y向位移，弧形閘門底部約束z向位移。該約束用于分析支鉸大梁、平板門槽與側墻處的應力情況。

（2）約束二。約束進水塔頂面的z向位移與底板一端的x向位移，保證進水塔不會沿x方向移動，同時保證了底板沿豎向自由變形；對稱面和弧形閘門約束同上。該約束用于分析底板應力情況。

3．8 計算結果分析

根據本次計算選定的結構重點部位，在相應位置共選取了10個截面進行分析，截面編號為1～10，各截面位置如圖3所示。根據三維有限元計算出的各部位應力云圖，將各截面的最大應力及位置找出，確定最危險點，并計算出各截面的內力值供結構配筋使用。各截面應力、內力計算結果見表1、表2。

圖3 截面位置示意

根據計算結果分析如下：

（1）水推力依靠弧形閘門傳遞至支鉸大梁位置，第一主應力最大值約為2 MPa，超過了材料抗剪強度，說明弧門推力導致大梁與側墻連接位置出現應力集中情況，需要作為結構設計重點關注區(qū)，加強配筋。大梁位置局部坐標系下，x′向剪應力最大為0．7 MPa，說明該處不僅靠大梁與墩墻端部交接處混凝土承擔剪力，而且與洞臉墻整體抗剪。

（2）在水壓力作用下，平板閘門門槽中下部出現第一主應力最大值，其值不超過1．5 MPa，沿x向的拉應力最大值約為1．0 MPa；順水流方向門槽處剪應力Sxy最大值約為0．7 MPa，豎向剪應力Sxz在門槽底部最大值約0．6 MPa。說明平板門門槽處為受力較大部位，同時由于沒有考慮閘門滾輪間距，因此閘門滾輪作用力不是按集中力施加，而是按分布荷載施加，計算出的應力可能略微偏低。

（4）底板在靜水壓力作用下頂面處拉應力為1．3 MPa，這是不考慮側墻水壓力作用的結果，設計時應對該部位適當加強配筋。

（5）以上各計算均是在假設工程已經穩(wěn)定運行，溫度作用趨于穩(wěn)定下進行的，均未考慮溫度應力。

（6）各重點部位的結構應力基本適中，說明閘室結構尺寸相對合理。

表1 各斷面應力最大值及出現位置

表2 各斷面內力最大值匯總

4 實際采取的結構安全工程措施

雖然根據有限元計算結果，有些部位應力滿足混凝土材料本身強度設計允許值，但是針對閘室結構布置特點及參考平面結構計算結果和實際工程經驗［18-20］，在實際設計中仍然采取了以下工程措施以保證結構安全。

（1）由于弧形工作門支鉸大梁承受巨大水推力作用，且該處混凝土最大拉應力已經超出混凝土抗拉強度設計值，因此在該處大梁頂、底層配置雙層鋼筋，并在軸向推力方向布置暗梁將水推力部分傳至山體，使其共同受力。

（2）考慮平板門門槽處因滾輪作用而產生應力集中，對閘門槽二期混凝土產生較大剪切作用，在閘門槽二期混凝土中配置相應抗剪鋼筋與閘門槽混凝土共同抗剪。

（3）考慮閘室墩墻內側受外水壓力及弧形門水推力作用產生較大拉應力，故除了布置縱、橫向結構鋼筋外，在閘墩內側（指向弧形門水推力方向）加強布置雙層扇形分布鋼筋。

（4）雖然計算模型從偏于安全的角度出發(fā)未考慮山體作用，但在實際運行中山體與閘室共同受力，為了保證山體邊坡穩(wěn)定，對山體開挖邊坡進行掛網錨噴支護。其中高程386．5～406．0 m范圍內錨桿直徑為25 mm，入巖深度L＝9 m，間距 2．5 m，梅花形布置；高程406．0 m以上錨桿直徑為25 mm，入巖深度L＝5 m，間距2．5 m，梅花形布置，并與錨桿間隔布置直徑50 mm、入巖深度L＝3 m的PVC排水管，減少山巖裂隙水作用。

（5）閘底板基巖進行固結灌漿處理，加強巖石整體完整性；對閘室兩側高程373．0 m以下部分用石渣回填，洞臉墻后高程386．5～406．0 m范圍采用混凝土回填并固結灌漿，加強閘室與山體的一體性。

5 監(jiān)測數據驗證

為了分析驗證閘室結構與山體之間的相互作用，在背墻與山體連接部分設置土壓力計進行觀測。

5．1 土壓力計布置

連接段共布置土壓力計15支，其中斷面泄0+038端部布置9支，斷面泄0+036、泄0+031頂部各布置3支，目前已全部安裝完成。土壓力計具體布置位置見表3。

表3 土壓力計布置位置

5．2 數據分析

在進水塔施工前期泄洪洞閘室與山體連接部位土壓力明顯增大，隨著施工進度的推移，土壓力逐漸趨于穩(wěn)定；2018年開始施工進水塔上部結構后，隨著上部荷載的增大，土壓力逐漸抬升，至2018年7月趨于穩(wěn)定，符合施工期變化規(guī)律?？傮w來說，土壓力計的觀測數據反映了安裝部位的總體受力情況。土壓力典型斷面變化趨勢見圖4。

圖4 典型斷面土壓力變化趨勢

6 結 論

（1）在一定邊界條件下，采用三維有限元法對進水塔進行結構計算能夠得到更為精準的理論計算結果，對重點部位的劃分也更為明確，便于確定合理的結構尺寸。

（2）在理論計算分析的基礎上，結合工程經驗采取相應的結構安全工程措施才能做到經濟可靠。

（3）嚴格規(guī)范的現場施工控制是實現設計藍圖、確保工程質量的基礎。

（4）在今后的運行管理中需進一步根據實際觀測數據驗證分析結構受力，為類似工程提供可借鑒的經驗。