矩形導流底孔孔口結構型式分析研究

楊靜安,春光魁

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安　710065)

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矩形導流底孔孔口結構型式分析研究

楊靜安,春光魁

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安710065)

導流底孔廣泛應用于混凝土壩中，大壩上開口對壩體局部結構產生不利影響，如何保證導流底孔的結構安全運行，是導流底孔設計需考慮的重要因素。文章對矩形孔口跨中與跨縫2種結構布置型式展開研究，對其受力狀態、變形特性、配筋方式進行了計算和分析，得到了2種結構型式的顯著差異，為今后導流底孔的設計提供了有價值的參考。

導流底孔；矩形孔口；主應力；配筋

為了充分利用混凝土大壩的特性和功能[1]，為實現大壩施工期導流及后期生態放水，一般都在壩體內設置導流底孔來實現，有些導流底孔孔口不僅尺寸較大，還要承受靜水壓力、高速水流、壩體自重等作用。導流底孔布置有跨中布置和跨縫布置2種結構型式，其受力特性決定了結構配筋重點不同[2]。由于孔口周邊屬于大體積混凝土，簡化成桿件結構進行內力計算，再根據內力進行配筋方案與實際相差較大，不符合結構實際受力特點。因此，采用彈性力學方法得到主拉應力的圖形面積，根據總拉力計算配筋數量的方法更切合實際。本文采用線性有限元方法對導流底孔2種布置方案進行計算分析對比[3]，得到了孔口受力特點和變形特征，為導流底孔孔口結構布置型式提供建議和參考。

1　前提條件

以某工程溢流壩導流底孔為例[4]，導流底孔高10 m、寬8 m，孔中線至壩頂高度125 m，孔中心至壩基高度25 m，孔口過流時最大水頭為85 m，單壩段總高150 m，寬度為20 m，孔口采用跨中與跨縫2種布置型式，見圖1。孔口周圍混凝土強度等級采用C25，其彈性模量EC=28 000 N/mm2，容重r=25 kN/m3。

2　有限元模型

(1) 計算簡化

取孔口上部壩體范圍10 m，下部壩體范圍10 m，研究壩段兩側按自由邊界、底部按全約束考慮，孔口上部壩體自重等效為面力[5]。

圖1　導流底孔布置型式圖　　單位：m

(2) 計算模型

跨中模型節點總數為70 506，單元64 000個，以孔口底板中心為原點，水平向右為X正向，豎直向上為Y正向，Z向符合右手法則[6]。

跨縫模型節點總數為67 580，單元56 042個，以孔口底板左側為原點，水平向右為X正向，豎直向上為Y正向，Z向符合右手法則。跨中與跨縫2種結構計算網格見圖2。

圖2　計算網格圖

(3) 計算工況

考慮施工期和正常運行期2種工況[7]。

施工期工況：自重；

運行期工況：自重+內水壓力。

3　計算結果分析

3.1應力及變形分析

(1) 跨中布置

施工期，孔口在壩體自重作用下，從主拉應力分布圖(圖3)上看出，最大應力出現在孔口頂板中部，最大值為4.145 MPa，拉應力延伸深度為3.0 m，豎直向下變形為3.89 mm。頂板兩側角部拉應力分布區域較大，最大數值為2.732 MPa，拉應力沿著45°方向延伸深度為5.5 m。底板中部最大拉應力為2.716 MPa，豎直向下變形為0.37 mm；底板兩側角部最大拉應力數值為0.193 MPa，但角部外側拉應力區范圍較大，拉應力平均數值為1.021 MPa。

運行期，孔口在壩體自重和內水壓力同時作用下，從主拉應力分布圖(圖3)上看出，最大應力出現在底孔頂板中部，最大值為4.304 MPa，拉應力延伸深度為3.5 m，豎直向下變形為4.87 mm。頂板兩側角部拉應力分布區域較大，最大數值為2.383 MPa，拉應力沿著45°方向延伸深度為5.9 m。孔口底板中部最大拉應力為3.393 MPa，豎直向下變形為0.477 mm；底板兩側角部最大拉應力數值為0.249 MPa。

從施工期與運行期主拉應力數值及分布來看，運行期由于受到孔口內部水壓力的作用，結構拉應力、壓應力最大值及拉應力分布區都有一定程度的增大，控制工況為運行期，本算例主要由于孔口上部壩體較高，運行期內水作用下，孔口整體向外變形，底部及邊墻比頂板的變形幅度大，導致頂板向下變形，拉應力進一步增大；隨著壩體高度及內水壓力的變化，控制工況可能為施工期[8]。

(2) 跨縫布置

施工期，孔口周圍的主拉應力不大，頂部拉應力數值在0.2 MPa，左側邊墻應力控制在0.02 MPa，底板應力控制在0.61 MPa。但孔口上部壩體出現了較大的拉應力，最大數值為3.91 MPa，拉應力區分布高度約6 m；在壩段左側邊緣也出現了較大的拉應力集中區，最大數值3.641 MPa，水平向分布寬度3.0 m，這2個拉應力集中區都需通過配置鋼筋來解決。主壓應力主要分布于孔口角部，最大壓應力-21.007 MPa，需設置倒角或配置局部加強鋼筋來解決。孔口頂部右側邊緣豎向變形較大，豎向位移為17.977mm；孔口頂左側板角部豎向變形為7.324 mm。

圖3　主拉應力圖　　單位：MPa

運行期，孔口周圍的主拉應力不大，頂部拉應力數值在0.08 MPa，左側邊墻應力控制在0.05 MPa，底板應力控制在0.65 MPa。孔口上部壩體拉應力大數值為2.628 MPa，拉應力區分布高度約5.5 m；壩段左側邊緣拉應力最大數值1.434 MPa，水平向分布寬度2.0 m。主壓應力主要分布于孔口角部，最大壓應力-15.541 MPa。孔口頂部右側豎向位移為11.04 mm；孔口頂板左側角部豎向變形為4.918 mm。

從施工期與運行期主拉應力數值及分布來看，運行期由于受到孔口內部水壓力的作用，結構拉應力、壓應力最大值及拉應力分布區都有一定程度的減小，控制工況為施工期[9]。

(3) 布置型式比較

通過對跨中布置與跨縫布置2種結構型式的計算分析結果來看，跨中布置孔口頂部及底板拉應力區分布范圍較大，且拉應力數值也較大，需通過配置鋼筋來解決；跨縫布置孔口周圍拉應力分區及拉應力數值均較小，僅配置構造鋼筋即可，但壩體上部及左側出現了拉應力區，但數值與范圍均比跨中布置型式的控制工況小。從孔口2種布置方案比較來看，建議采用跨縫布置方案，可有效解決孔口周圍拉應力問題，但需在孔口上部壩體及側面配置受拉鋼筋。

3.2配筋計算

(1) 配筋方法

按照DL/T 5057-2009《水工混凝土結構設計規范》相關規定[10]，當結構截面在配筋方向的正應力圖形偏離線性較大時，受拉鋼筋截面面積AS應采用下列公式計算。

式中：T為由荷載設計值確定的彈性總拉應力；Tc為混凝土承擔的拉應力；fy和As分別為鋼筋抗拉強度設計值和截面面積;rd為結構系數(取1.2)。混凝土和鋼筋強度值均取設計值，這其中就包含了一定的安全系數，而且混凝土的設計值又折減了0.6的安全系數，最后混凝土與鋼筋又除以1.2的結構系數，按照這種方法進行配筋設計，配筋量往往偏大。

(2) 配筋計算

針對孔口混凝土結構受力特性，取了7個關鍵截面(圖4)進行配筋計算，計算結果見表1。

表1　孔口周圍計算配筋表　/mm2

從跨中結構形式方案施工期和運行期2種工況計算配筋結果來看，7個關鍵截面的配筋，運行期均比施工期鋼筋計算面積大，配筋直徑與根數多。從跨縫結構形式2個工況計算結果來看，2種工況孔口周圍主拉應力數值及大小變化不大，均按照構造配筋即可，但所計算模型頂部與左側需配置受拉鋼筋。具體配筋方案見表2。

圖4　關鍵截面及配筋方案圖

表2　跨縫布置方案主筋配置表

從跨縫布置方案施工期與運行期2個工況主筋配置結果來看，施工期比運行期都大，內水壓力的作用抵消了一部分自重作用，對結構受力有利，控制工況為施工期。因此，當導流底孔采用跨縫結構形式時，雖然孔口周圍可按照構造配置鋼筋，但由于孔口變形，導致了頂部及側面壩體變形產生了拉應力區，必須對此部位進行配筋，避免產生豎向與橫向裂縫，對混凝土壩的安全運行產生不利影響。

4　結　語

(1) 導流底孔采用跨中結構形式，運行期與施工期孔口周圍混凝土主拉應力數值與分布區范圍都大；根據壩體高度與內水壓力綜合判斷控制工況；

(2) 導流底孔采用跨縫結構形式，施工期比運行期的主拉應力數值與分布區范圍都大，因此，施工期是跨中布置方案的控制工況；

(3) 導流底孔采用跨縫結構形式，孔口主拉應力數值較小，拉應力區分布范圍小，當壩體上布置較大的孔口時，建議采用；

(4) 導流底孔跨中布置方案的主筋配置在孔口周圍，頂板主筋配置較多、底板次之、邊墻最少；跨縫布置方案孔口按照構造配置鋼筋即可，但需在孔口頂部與側面壩體混凝土進行計算，配置受拉鋼筋。

[1]陳進,黃薇,丁茜.大壩矩形孔口應力狀態分析[J].水力發電,2000(12):21-24.

[2]程宵,蘇凱,伍鶴皋.導流底孔結構受力分析與壩上游面拉應力控制措施[J].水利水電科技進展,2011(06):27-31.

[3]傅丹,伍鶴皋,蘇凱.碾壓混凝土重力壩導流底孔有限元分析[J].水電能源科學,2011(09):85-88.

[4]呂琦,雷艷等.功果橋電站大壩底孔設計[J].水利科技與經濟，2014(11):116-118.

[5]杜雄春,李志祥.三峽工程導流底孔運行分析[J].中國三峽建設,2001(03):15-16.

[6]唐力.三峽水利樞紐導流底孔研究[J].人民珠江,2001(02):07-09.

[7]尹華安.三峽水利樞紐導流底孔研究[J].人民珠江,2014(09):01-05.

[8]李艷.水工結構工程[D].南京：河海大學,2007(06):45-68.

[9]李曉榮.某水電站泄洪底孔開裂狀況的研究[J].山西建筑,2008(26):102-104.

[10]中華人民共和國國家能源局.水工混凝土結構設計規范:DL/T5057-2009[S].北京：中國電力出版社，2009.

Analysis and Study on Orifice Structural Form of Rectangular Bottom Diversion Outlet

YANG Jin'an, CHUN Guangkui

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

The bottom diversion outlet is widely applied in concrete dam. But opening in the dam results in unfavorable impacts on local dam structure. How to secure the safety operation of the structure of the bottom diversion outlet is one of important factors for the design of the bottom diversion outlet. In the paper, two structural layout forms of the rectangular orifice in middle and crossing joint respectively are studied. Calculation and analysis on their action status, deformation characteristics and reinforcement arrangement are performed. The outstanding difference of two structures are derived. The study provides design of the bottom diversion outlet with valuable reference. Key words:bottom diversion outlet; rectangular orifice; primary stress; reinforcement arrangement

1006—2610(2016)04—0044—04

2016-05-05

楊靜安(1979- )，男，河南省鶴壁市，高級工程師，從事施工組織設計工作.

TV551.3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.011