淺析趙家堡子電站溢流壩閘墩配筋方式

鄭曉康

（遼寧省觀音閣水庫管理局有限責任公司，遼寧 本溪 117100）

閘墩是水利工程中泄水建筑物的重要組成部分，其科學合理的設計對水利工程的運行安全具有重要作用[1]。目前，水利工程設計建設中大多采取預應力閘墩解決普通混凝土閘墩承載力不足的問題[2]。但是，工藝復雜、抗震性能不足成為制約其廣泛應用的重要缺陷。型鋼-混凝土閘墩作為一種新型的閘墩結構模式，將普通鋼筋混凝土閘墩中的受力鋼筋用型鋼代替，具有剛度大、承載力高、抗震性能好等諸多優勢，有良好的發展和應用前景[3]。因此，廣大學者和工程技術人員針對型鋼混凝土閘墩結構設計進行了諸多研究[4]。鑒于型鋼-混凝土閘墩兩側配筋設計研究較少，而閘墩的工作性能又與其緊密相關。本文對工程運行期間非對稱荷載作用下不同配筋直徑和間距對鋼筋-型鋼混凝土閘墩工作性能的影響進行研究。

1 工程背景

趙家堡子水電站位于遼寧省丹東境內，屬于愛河梯級開發的重要規劃工程。該電站的壩址在鳳城市石城鎮境內，距離鳳城25 km，距離丹東市約95 km。規劃中的趙家堡子電站屬于一座徑流式水電站，同時具有一定的防洪和養殖功能，為一座綜合性小型水利樞紐工程。電站設計單機容量42 kW的混流式水利機組，裝機總容量為16800 kW。電站的水庫為河道式水庫，設計庫容1550萬m3。趙家堡子水電站的工程等別為Ⅲ等，主要水工建筑物級別為3級，設計洪水標準為百年一遇，校核洪水標準為千年一遇，主要由混凝土重力壩、溢流壩、引水系統和電站廠房構成。其中，大壩的溢流壩段位于靠近右岸的位置，采用WES實用堰設計，堰頂高程為55.10 m，閘門的墩體厚3.0 m，墩頂高程為80.16 m。

2 FLUENT三維有限元計算模型

2.1 有限元模型的構建

本次研究選取FLUENT軟件進行三維數值模擬[5]。根據相關研究成果，在混凝土閘墩的粘結滑移載荷較大時，閘墩的整體位移并不會受到型鋼和混凝之間粘結滑移作用的明顯影響。因此，本次研究中并不考慮型鋼、鋼筋層和混凝土之間的粘結滑移作用的影響，而將型鋼和鋼筋層直接嵌入有限元模型進行計算分析[6]。為了區分不同混凝土材料的性質，牛腿采用C40混凝土，而其他部位則采用C30混凝土。由于模型包含范圍較大，不同區域的計算規則不同，因此將網格劃分為大小不同的規則形狀，提高網格劃分的質量[7]。模型的網格間距設定為0.8 m，并對關鍵部位進行加密，最終獲得約312890個離散單元（見圖1）。

圖1 鋼筋-型鋼混凝土閘墩有限元模型

2.2 算法和邊界條件

由于兩閘墩之間設置有伸縮縫，相鄰的閘墩之間不存在相互影響，因此模型的左右邊界設置為自由邊界。由于閘墩的底部和地基接觸十分牢固，底部位移量幾乎為零，因此將模型的底部設置為全約束條件。在模型計算過程中，將初始增量步長設置為0.01，最大增量步設置為10000，以保證模型的計算結果收斂[8]。研究過程中利用軟件進行多次試算，計算結果顯示可以滿足收斂條件。

2.3 計算工況

本文主要對不同配筋直徑和間距下閘墩的位移和應力進行分析，以確定最佳閘墩配筋直徑和間距，在保證工程安全的前提下，最大限度提升閘墩設計的工程經濟性。計算工況為：①保持配筋間距50 mm不變，閘墩兩側設計為沒有配筋以及配筋直徑分別為20 mm、22 mm、25 mm、28 mm以及32 mm等6種不同的配筋直徑；②配筋直徑不變，配筋間距為50 mm、90 mm、120 mm、150 mm、180 mm、210 mm 以及 240 mm 這 7種不同配筋間距。

3 計算結果與分析

3.1 不同配筋直徑下閘墩位移分析

對不同配筋直徑下的閘墩整體和部分關鍵部位的位移量進行計算，結果見表1。由表1可知，在設置配筋的情況下，閘墩各個方向上位移與關鍵部位的位移均相對較小，說明設置配筋對控制閘墩位移具有顯著的作用。從有配筋的5種工況的對比結果來看，隨著配筋直徑的增大，閘墩的各向位移、合位移以及關鍵部位的位移均呈現出不斷減小的趨勢，但是減小的幅度會隨著配筋直徑的增加而不斷減小。但是，配筋直徑對各向位移的影響程度并不相同，其中對X向和Z向位移的影響較大，而對Y向位移的影響并不明顯。從具體的數據來看，采用D32@50配筋與無配筋工況相比，X向位移由1.110 mm減小到1.041 mm，減小幅度為6.22%；Y向位移由0.800 mm減小到0.783 mm，減小幅度為2.13%；Z向位移由5.153 mm減小到4.936 mm，減小幅度為4.21%；此外，由于上角點的位移大于下角點的位移，說明上角點的應力集中更為顯著。

表1 不同配筋直徑下閘墩位移量計算結果

3.2 不同配筋直徑下閘墩應力分析

對不同配筋直徑下的閘墩整體和部分關鍵部位的應力進行計算，結果見表2。由表2可知，在閘墩的兩側增設配筋之后，閘墩整體和關鍵部位的最大拉應力值均有不同程度的增加，同時拉應力值還隨著配筋直徑的增加而增大。例如，采用D32@50配筋與無配筋工況相比，閘墩的最大拉應力值由1.951 MPa增加到1.980 MPa增加了1.48%。究其原因，閘墩在運行工況下會受到較大的閘門推力作用，因此承擔的荷載較大。而配筋直徑的增加勢必會導致配筋與混凝土接觸面積的增大，從而使配筋與混凝土粘結力的減弱，進而導致各部位受到的拉應力增大。

表2 不同配筋直徑下閘墩應力計算結果

3.3 不同配筋間距下閘墩位移分析

在配筋直徑為32 mm不變的情況下，對不同配筋間距下的閘墩整體位移和部分關鍵部位的位移量進行計算，結果見表3。由表3可知，減小配筋間距有助于控制閘墩的X向位移。例如，閘墩的配筋間距由240 mm減小到50 mm時，閘墩的X向位移由1.082 mm減小到1.041 mm，減小了3.79%；減小配筋間距對改善閘墩的Y向位移的作用不明顯，閘墩的配筋間距由240 mm減小到50 mm時，閘墩的Y向位移由0.785 mm減小到0.783 mm，減小幅度極為有限；減小配筋間距對控制閘墩的Z向位移的作用比較明顯，閘墩的配筋間距由240 mm減小到50 mm時，閘墩的Z向位移由5.050 mm減小到4.936 mm，減小了2.26%。此外，閘墩兩個關鍵部位，牛腿上下角的位移量也隨著配筋間距的減小而減小，說明減小配筋間距對減少該部位的位移也具有一定的作用。此外，由于上角點的位移大于下角點的位移，說明上角點的應力集中更為顯著。

表3 不同配筋間距下閘墩位移量計算結果

3.4 不同配筋間距下閘墩應力分析

對不同配筋間距下的閘墩整體和部分關鍵部位的應力進行計算，結果見表4。由表4可知，閘墩拉應力值隨著配筋間距的減小呈現出先減小后增大的趨勢。閘墩在運行工況下會受到較大的閘門推力作用，因此承擔的荷載較大。而配筋間距的增大會導致配筋與混凝土接觸面積的減小，從而使配筋與混凝土粘結力的有所增強，進而導致各部位受到的拉應力減小。但是配筋間距過大，會加大對支座附近混凝土的牽拉作用，進而導致閘墩的拉應力增大。

表4 不同配筋間距下閘墩應力計算結果

4 結論

本文以趙家堡子水電站為例，對不同鋼筋-型鋼混凝土閘墩配筋直徑和間距條件下的閘墩位移和應力變化特征進行研究，得到的研究結論如下：

（1）設置配筋對控制閘墩位移具有顯著的作用，隨著配筋直徑的增大，閘墩的各向位移、合位移以及關鍵部位的位移均呈現出不斷減小的趨勢，應力呈現出不斷增大的趨勢，但是增加幅度比較有限。

（2）減小閘墩配筋間距對控制閘墩各向位移具有明顯的作用，其中對控制X向位移和Z向位移的作用更為明顯；隨著配筋間距的減小，閘墩的拉應力呈現出先減小后增大的趨勢，但是變化不大。

（3）綜合研究結果，同時考慮工程的經濟性要求，建議趙家堡子水電站溢流壩閘墩應該采用D32@50配筋方式。