廠房擋水結構設計與有限元分析

王志瓏

（中國電建集團北京勘測設計研究院，北京市 100024）

廠房擋水結構設計與有限元分析

王志瓏

（中國電建集團北京勘測設計研究院，北京市 100024）

高尾水以及施工期高降雨量是額勒賽上電站廠房的兩大特點，廠房擋水結構設計也就成為設計中的難點問題。本文以廠房尾水閘墩及邊墻結構設計為例，詳細闡述了它們在結構設計方面采取的措施以及有限元分析計算過程，為今后類似工程提供了參考。

高尾水；高降雨量；尾水閘墩；邊墻；有限元

0 引言

額勒賽上電站位于柬埔寨王國西部戈公省，廠房位于壩址沿河下游約4.6km處左岸，布置岸邊地面式廠房。額勒賽上電站按200年一遇洪水設計，500年一遇洪水校核。廠房建基面高程為90.8m，廠址設計洪水位為118.57m高程，廠址校核洪水位為119.61m高程，即在校核洪水位情況下，尾水水頭達28.81m，相當于中小型擋水壩承受的水頭，高尾水是該電站廠房的一個重要特點。另外柬埔寨雨季雨量較大，施工期在主機間各層樓板未澆筑的情況下，考慮到外水繞滲，邊墻要承受較大水壓力，這是該電站廠房設計的又一特點。因此，廠房邊墻及尾水閘墩的結構設計具有重要意義。

1 尾水閘墩結構設計

針對廠房高尾水的特點，在尾水閘墩結構設計方面采取了一些措施。首先把尾水副廠房消防水泵房120cm厚板頂板作為尾水閘墩的支撐結構之一，可以把部分尾水壓力傳遞給蝸殼外包大體積混凝土。其次，尾水閘墩設計時不再簡化為平面問題，而是采用有限元Ansys軟件對其進行三維模擬計算分析。

1.1 計算模型

根據廠房布置情況，廠房內安裝兩臺機組，采用一機一縫結構型式，1號機組、2號機組之間設置結構縫，取2號機組段尾水擋墻進行三維有限元分析。尾水擋墻100.05m高程以下與大體積混凝土相連，所以計算范圍取100.05m高程以上擋墻、邊墩以及中墩整體為對象建立模型。計算模型的總體坐標系取Z軸為垂直豎向，以100.05m高程處為原點，向上為正。Y軸方向為廠下→廠上，X軸為廠右→廠左，模型詳見圖1。

1.2 計算理論與方法

本次計算通過Ansys軟件采用整體建模求解應力，再根據應力的分布規律取尾水擋墻和閘墩的典型斷面作為配筋控制斷面。對典型截面采用指定單元路徑的方法再經過線性化處理后便可得到線性化的應力圖形，既而進行截面內力計算。

根據有限元計算的應力成果，將計算應力分布圖先擬和為直線分布，根據擬和直線應力分布圖求軸力和彎矩。其公式如下：

圖1 尾水擋墻三維計算網格剖分圖Fig.1 Three-dimensional calculation grid of tail gate pier

當應力圖形線性分布時，有下列公式成立：

式中：σmax、σmin——分別為截面最大、最小應力，可以由截面應力圖上查到；

N——截面所受軸力，kN；

M——截面所受彎矩，kN·m；

A——截面面積，m2；

W——截面抗彎模量。

根據式（1）、式（2），可以求出截面內力N、M，

公式如下：

1.3 計算荷載及計算工況

作用在尾水擋墻上的荷載主要有尾水平臺活荷載、擋墻自重、尾水副廠房樓板自重以及作用在尾水副廠房各層上的活荷載、下游靜水壓力作用和揚壓力作用。其中，尾水平臺活荷載主要為閘墩頂部尾水閘門起吊及檢修的荷載以及平臺上考慮車輛通行活荷載。尾水閘墩上游側為尾水副廠房，尾水副廠房各層樓板均簡支在尾水閘墩上游側牛腿上，所以尾水副廠房各層樓板自重及活荷載以線荷載形式作用在尾水閘墩上游側牛腿上。

本計算考慮三種計算工況，分別為尾水設計洪水位工況（基本組合）、尾水校核洪水位工況（偶然組合）、尾水設計洪水位工況（長期組合，裂縫寬度驗算）。

1.4 應力計算

本計算分別對三種工況下閘墩X向（水平向）及Z向（豎直向）進行應力計算。以尾水設計洪水位工況（基本組合）Z向應力計算為例，計算結果如下（見圖2）：

圖2 尾水設計洪水位工況整體Z向（豎直）應力分布云圖（kPa）Fig.2 Stress distribution pattern at z-direction of tail gate pier

根據圖2可知，閘墩的Z向應力在底部的下游側最大，呈現受拉狀態，上游側尾水擋墻基本為受壓狀態。按應力的分布情況，分別截取EL100.05m、EL105.45m、EL109.65m，3個截面的應力云圖，并分別選取4條路徑進行應力分析，即Line1、Line2、Line3、Line4，根據所得應力值通過式（3）、式（4）求得內力值，最終根據內力值進行配筋計算。

1.5 計算結果

通過Z向（豎直）應力分布云圖（見圖3）可知，閘墩底部下游側（墩頭處）拉應力最大，隨高程升高拉應力逐漸減小，最終成受壓狀態。閘墩上游側（擋墻處）從下至上均處于受壓狀態。因此下游側配筋為：EL105.45m以下采用雙排36@200鋼筋,EL105.45m以上采用單排36@200鋼筋；上游側配筋為：EL105.45m以下采用28@200鋼筋,EL105.45m以上采用25@200鋼筋。

圖3 高程100.05m截面Z向（豎直）應力分布圖（kPa）Fig.3 Stress distribution pattern at z-direction of EL.100.05 section

2 廠房邊墻結構設計

柬埔寨雨季雨量較大，在廠房基坑開挖期間兩次被洪水淹沒，圍堰被沖毀，若施工期在主機間各層樓板未澆筑的情況下，考慮到外水繞滲，邊墻承受較大水壓力，結構設計上難度較大。設計中主要采取了以下措施：

（1）主機間上游側主變壓器開關樓底板與主機間上游墻一同澆筑，這樣可以對主機間上游墻有一定的拉結作用，解決了施工期墻體結構設計難題。

（2）邊墻結構設計時采用軟件SAP2000對其進行有限元分析計算，不再簡化成簡單的懸臂桿件，對墻體進行整體計算，考慮墻體左右兩端的約束作用。

主機間邊墻結構設計包活上游墻及左右邊墻結構設計。主機間上游墻墻體底部與蝸殼層底板相連，在計算中取單位寬度簡化為“L”形結構，在施工期各層樓板尚未澆筑，上游墻高度較高且無側向支撐，根據實際情況，在計算中考慮主變壓器開關樓底板對墻體的拉結作用，計算模型較為簡單，本文不再詳細說明，重點介紹左右邊墻結構計算。

2.1 計算模型

左右邊墻與上游墻相比跨度較小，利用SAP 2000中厚殼單元整體建模計算，右端墻上下游方向長25.5m（范圍：Sta.U0+012.000～Sta.D0+013.500），高度21.95m（范圍：EL.98.05m～EL.120.00m）；左端墻上下游方向長25.5m（范圍：Sta.U0+012.000～Sta.D0+013.500），高度11.60m（范圍：EL.98.05m～EL.109.65m）。模型底部邊界條件采用固端約束。詳見圖4、圖5。

圖4 右端墻計算模型Fig.4 Calculation model of righ sidewall

圖5 左端墻計算模型Fig.5 Calculation model of left sidewall

2.2 計算理論與方法

左右邊墻計算利用SAP2000中厚殼單元整體建模計算，模型中上下游側及底部邊界條件采用固端約束，但考慮到上下游側的實際約束情況并沒有固端那么強，因此，需要對模型計算結果中的彎矩進行調幅，并最終利用調幅后的結果計算配筋。

2.3 計算荷載及計算工況

在持久工況下，主機間各層樓板已澆筑，樓板對墻體有側向支撐作用，墻體所受彎矩大大減小，持久工況不是控制工況，因此本文只考慮在施工期樓板未澆筑情況下遇50年一遇洪水位工況（短暫工況基本組合）。

計算荷載主要為50年一遇洪水位（P=2%，▽116.3m）對應的靜水壓力，對應模型底部高程▽98.05m處的水頭為18.25m。

2.4 內力計算

計算采用有限元設計軟件SAP2000，采用厚殼單元建立模型后施加靜水壓力荷載，最終得到彎矩圖及軸力圖（見圖6、圖7）。本計算分別對左右端墻X向（水平向）及Z向（豎直向）進行內力計算。以右端墻Z向內力計算為例，計算結果如下：

圖6 右端墻Z向彎矩圖Fig.6 Z-direction bending moment diagram of righ sidewall

圖7 右端墻Z向軸力圖Fig.7 Z-direction axial force diagram of left sidewall

2.5 計算結果

根據彎矩分布云圖分別選取墻體內側及外側（臨水側）彎矩最大截面進行配筋計算，以右端墻為例，由圖6、圖7可知墻外側底部紅色區域彎矩最大，經配筋計算選配32@200鋼筋，墻內側藍色區域彎矩最大，選配32@200鋼筋。

3 結束語

高尾水以及施工期高降雨量是額勒賽上電站廠房的兩大特點，同時也是結構設計中的兩大難點。針對上述問題，首先在結構設計方面通過采取一些有效措施，例如尾水副廠房消防水泵房設置120cm厚板作為尾水閘墩的支撐結構以及主變壓器開關樓底板對主機間上游墻的拉結作用等。其次，采用三維有限元軟件對結構進行整體建模計算，提高了設計精度及準確度。希望本文能夠給今后類似工程提供參考，特別在一些高降水量地區，施工期各層樓板未澆筑的情況下廠房邊墻的結構安全應值得重視。

［1］付強，曹璽.淺議抽水蓄能電站基建期地下廠房安全通道設置［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（3）：7-11.FU Qiang,CAO Xi.The Underground Powerhouse of Infrastructure Securituy Channel is Arranged on the Pumping Energy Storage［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(3):7-11.

［2］夏智翼，胡云鶴.某抽水蓄能電站水毀面板修復灌漿施工［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（3）：12-14.XIA Zhiyi,HU Yunhe.Repair Grouting Construction for Damaged Panel of Pumped Storage Power Station［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(3):12-14.

王志瓏，（1986—），男，工程師，碩士，主要研究方向：水電站廠房設計。E-mail:wangzl@bhidi.com

Structural Design and Finite Element Analysis of Powerhouse Retaining Structure

Wang Zhilong
(Hydrochina Beijing Engineering Corporation,Beijing 100024, China)

High tail water and high rainfall in construction period are two features of Lower Stung Russei Chrum Hydropower Project-Upper Station.Structural design of powerhouse retaining structure has become the difficult problem in design.Taking structural design of tail gate pier and sidewall as the case, this article describes the measures taken in structural design and the process of finite element analysis, which supplies a reference for similar project.

high tail water; high rainfall; tail gate pier; sidewall; finite element

TV314

A 學科代碼：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.015