三河口水利樞紐電梯井結構設計與研究

趙 瑋，解 豪

(陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001)

三河口水利樞紐是陜西省內重大跨流域調水工程——引漢濟渭工程的三大部分之一和重要水源工程之一，是整個引漢濟渭工程的調蓄中樞。水庫總庫容為7.1億m3，大壩為碾壓混凝土拱壩，最大壩高141.5m。

大壩電梯井布置在大壩右岸壩體下游，其下部和壩體結構嵌固在一起，上部和壩體鉸接連接，是三河口水利樞紐最重要的垂直交通路徑，具有連接壩體內部各層交通廊道，以及連通壩后電站廠區與壩頂交通的重要功能。電梯井結構按1級建筑物設計，沿高程(高程516.0～646.0m)共分7站，行程130m。

電梯井做為大壩一種高聳、薄壁的單體結構，與大壩體量相比，其剛度較小，在與大壩結構共同工作時，受力條件復雜，而傳統的計算手段，又很難考慮大壩運行對電梯井結構受力的影響。從電梯井布置型式、體型設計、約束形態等方面研究分析電梯井的結構，通過有限元仿真計算分析對其結構設計的合理性進行分析論證[1]，論述了電梯井從方案設計到結果論證的全過程，為以后類似工程的設計提供具有價值的參考。

1 電梯井結構設計

1.1 布置形式

大壩電梯井一般可分為岸坡豎井式和和壩后豎井式。岸坡豎井式一般位于大壩壩肩，或臨近地下廠房，便于聯通大壩與地下廠房，一般要求地質條件較好。其優點是結構較為安全可靠，不受風、浪、冰凍、大壩泄洪等因素影響，受地震影響較小，其缺點是施工難度較大，通風條件較差，井內環境幽閉，舒適性較差。壩后豎井式，一般位于壩后靠近岸坡，多用于大壩樞紐無電站廠房，或電站廠房為地面廠房。其優點是施工條件較為便利，通風條件較好，可通過窗戶提高井內樓梯間采光，改善井內整體舒適性，缺點是易受風、浪、冰凍及大壩泄洪等外界因素影響，受地震影響性大。

三河口水利樞紐大壩電梯井采用壩后豎井式。電梯井位于壩后大壩右岸壩體下游，距離河床中心約30m，通過壩后交通橋連通電梯井與廠區道路。一般電梯井越靠近河床，井筒結構受大壩整體變形影響越大，電梯井越靠近壩肩，井筒結構受大壩整體變形影響越小，對結構穩定越有利，但基礎開挖增大，施工難度增大。三河口水利樞紐電梯井在綜合考慮大壩整體變形影響，基礎開挖以及壩后交通布置等因素，選定電梯井位置。

1.2 電梯井功能和電梯選型

設計充分考慮滿足壩后和壩內交通，將電梯井共分為7站，分別為515.0m基礎灌漿廊道、高程546.50m電站廠坪(電站經常性停靠位置)、高程565.0m交通觀測廊道、高程610.0m交通觀測廊道、高程628.00m交通觀測廊道及高程646.0m壩頂，行程130m。為滿足消防要求，每層間高度間隔9～11m，設一個安全門，共設10個安全門[2]。

圖1 電梯井縱剖面及橫剖面圖

根據國內多個已建工程電梯設計荷載，水利水電樞紐大壩電梯一般選1～1.6t、載員13～19人。如僅作為大壩樞紐工作人員交通，可參照室內住宅電梯選型標準，選用1t是完全可以滿足設計需求。但是，大壩電梯往往承擔更多的設計功能，除滿足以上功能外，通常要綜合考慮工程管理運行、施工期和檢修期設備檢修、基礎灌漿補灌等[3]，因此大壩電梯設計載荷宜根據具體功能具體設計，三河口水利樞紐大壩在考慮多種運行功能后，選擇設計載荷1.6t。

1.3 體型設計

三河口水利樞紐大壩電梯井結構主要由電梯井室與樓梯間兩部分組成。電梯井室包含電梯井和電梯前室，樓梯間包含樓梯、電纜井和通風井。井壁結構厚度為1m，高程610.0m以下部分結構與壩體整體澆筑，高程610.0m以上與壩頂鉸接；上下游側井壁寬度為7.4m，左右側井壁寬度為8.1m。電梯井道凈尺寸為2.5m×2.6m根據電梯設計載荷和后期運行要求確定；井底部高程516.0m下設緩沖坑深1.8m，坑壁結構采用0.3m厚的C30鋼筋混凝土襯砌。區間檢修爬梯共90跑，為鋼筋混凝土結構；井內不同功能區隔墻厚度0.2～0.4m，在滿足功能分區的同時，增加井筒整體剛度。電梯井結構設計圖如圖1所示。

1.4 電梯井與大壩約束形態

一般大壩電梯井嵌固在壩體內，與大壩整體澆筑，三河口水利樞紐大壩電梯井也采用電梯井混凝土與大壩混凝土整體澆筑的連接方式，電梯井基礎嵌入壩內。由于大壩為雙曲拱壩，下游壩面為曲面，因此電梯井不能完全嵌入壩體，在546.0m高程逐漸脫離壩體。通常為了增加電梯井整體結構的剛度，減少高度方向自由端的長度，脫離壩體部分通常采用混凝土回填，連接大壩與電梯井。然而大壩在水推力，溫度等荷載作用下，隨著高度增加各個方向變形逐漸增大，壩頂變形最大，順水流方向變形尤為明顯。大壩電梯井之間回填高度增加，則電梯井受大壩變形影響增加，但電梯井自由端長度減小，受地震作用減弱；反之，回填高度減小，電梯井受大壩變形影響減小，但受地震作用增強。

由此可見，從結構受力的安全性及工程造價經濟性方面考慮，選擇合理、合適的回填高程是這一連接型式的關鍵。經過多方案計算比較分析，三河口水利樞紐大壩電梯井回填高程為610.0m，同時為滿足交通需要，在高程628.0m和646.0m處各設一座工作橋，工作橋在與大壩連接段采用滑動鉸接，以減小連接段的應力[4]。

2 電梯井結構仿真計算分析

2.1 計算模型及計算工況

在大壩各種運行工況下，保證電梯井安全、有效的運行，是電梯井結構設計的基本要求。由于受大壩運行的影響，電梯井受力結構較為復雜，大壩結構采用三維有限元計算，建立大壩與電梯井整體結構的模型，地震作用采用振興分解反應譜法[5]進行計算，并參考相關工程的計算結果[6]，對大壩電梯井的結構受力特性可得到一般規律性的結論，有限元模型見圖2。

圖2 大壩與電梯井有限元整體模型

本次所有工況均模擬拱壩溫度場[7]考慮溫度應力[8]影響，計算工況分別在溫升和溫降情況下，分別考慮正常運行和地震作用：

①工況1：自重+正常蓄水位+相應下游水位+泥沙壓力+溫升。

②工況2：自重+正常蓄水位+相應下游水位+泥沙壓力+溫降。

③工況3：自重+正常蓄水位+相應下游水位+泥沙壓力+溫升+地震。

④工況4：自重+正常蓄水位+相應下游水位+泥沙壓力+溫降+地震。

2.2 計算結果分析

根據計算結果，可以明顯看出，電梯井作為大壩垂直交通建筑物，其位移變化規律主要受大壩變形規律的影響，由受到的大壩變形產生相應的應力應變。電梯井在大壩作用下X向位移(順河向)最為明顯，由底部至頂部逐漸增大，最大位移最發生在電梯井頂部；在高程546.0～561.0m各方向應力均較大，也即電梯井脫離壩體處，在實際施工圖中，在此高程范圍了加強了配筋。而在地震作用，電梯井位移及應力均明顯增大，可見對于這種高聳薄壁結構，地震工況為其控制工況。

各工況最大位移及應力見表2，工況4位移及應力云圖見圖3—6。

表2 各工況最大位移及應力

圖3 工況4電梯井X向整體位移云圖(單位：mm)

圖4 電梯井X向應力應力云圖(單位：MPa)

圖5 電梯井Y向應力應力云圖(單位:MPa)圖6 電梯井Z向應力應力云圖(單位:MPa)

3 結語

本文研究了電梯井從方案設計到結果論證的全過程，經過分析論證，大壩電梯井的布置及結構設計是合理的。拱壩的壩后電梯井布置宜靠近岸坡，遠離河床，以盡可能減小大壩變形對電梯井結構受力的影響。大壩電梯井應與大壩結合，采用部分或全部嵌入大壩內部的方式增大電梯井的整體剛度，以減小地震作用對電梯井結構受力的影響。電梯井作為高聳的單體水工結構，在地震作用下，其自身振動較大，同時壩體發生振動時，電梯井伸出壩體部分其振動影響會放大，其結構將承受更大的振動[9]。因此，往往地震作用下工況是電梯井結構計算的控制性的工況，而同時考慮溫降和地震作用，又是地震作用下的更極端工況。

電梯井結構設計，尤其電梯井與拱壩壩體的連接是一個比較系統和全面的問題，電梯井結構與壩體的嵌入程度，電梯井與大壩間的回填高度，回填區以上電梯井與大壩采用何種連接方式，使得電梯井既能適應大壩變形，又能保證井筒結構足夠的剛度，同時又能確保結構設計的合理性與經濟性，還需要設計者做更多的研究。