江坪河水電站導(dǎo)流洞閘室段結(jié)構(gòu)三維有限元分析

鄭志強(qiáng)，劉 勇，龔亞琦

(1.湖北能源集團(tuán)溇水水電有限公司，湖北 恩施 445801；2.長江科學(xué)院材料與結(jié)構(gòu)研究所，湖北 武漢 430010)

1 工程概況

江坪河水電站導(dǎo)流洞布置于右岸，洞身段全長1 163.00 m，進(jìn)口底板高程293.50 m，出口底板高程290.00 m，縱坡0.301%，包括進(jìn)口明渠段、進(jìn)水口段、洞身段和出口明渠段，全段采用鋼筋混凝土襯砌，標(biāo)準(zhǔn)過流斷面呈圓拱直墻型，寬12.00 m，高15.00 m，頂拱中心角120°。閘室段樁號D0+372～D0+412，混凝土強(qiáng)度等級為C30，斷面為矩形，設(shè)置中墩，單個(gè)斷面尺寸為6.00 m×15.00 m，閘門室前后各設(shè)置30.00 m長的漸變段，側(cè)墻漸變坡度1∶12，閘室段結(jié)構(gòu)如圖1所示。

考慮到電站導(dǎo)流洞已超期服務(wù)多年，且前期施工存在較多質(zhì)量缺陷，截流前進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)加固處理并通過截流驗(yàn)收，并進(jìn)行了一次補(bǔ)充質(zhì)量檢測，形成了《江坪河水電站導(dǎo)流洞質(zhì)量補(bǔ)充檢測報(bào)告》[1]。導(dǎo)流洞下閘后，閘室至堵頭段襯砌將承受很大的外水壓力，其封堵門設(shè)計(jì)擋水水頭達(dá)137.00 m，其運(yùn)行安全及滲漏情況，直接影響工程安全和進(jìn)度。

根據(jù)導(dǎo)流洞現(xiàn)狀及導(dǎo)流洞質(zhì)量檢測成果[1]，有必要采用三維有限元分析手段，復(fù)核導(dǎo)流洞封堵施工期導(dǎo)流洞閘室段結(jié)構(gòu)安全性[2-5]，同時(shí)就不同缺陷模型對結(jié)構(gòu)安全敏感性進(jìn)行分析，為下閘蓄水前結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的加固處理提供依據(jù)。

圖1 閘室段結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

2 模型建立

2.1 模型范圍

閘室段樁號為D0+372～D0+412，計(jì)算模型中包括351.0 m高程以下閘門豎井，計(jì)算范圍為導(dǎo)流洞底部及側(cè)面各延伸50 m。結(jié)構(gòu)混凝土及地基基巖以各向同性體考慮。

2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)計(jì)算精度需要，劃分形狀及尺寸合理的有限元網(wǎng)格。重點(diǎn)關(guān)注的部位，細(xì)致模擬其結(jié)構(gòu)形狀，如閘門槽下游及中墩結(jié)構(gòu)，特別是中墩門槽段，均劃分精細(xì)的網(wǎng)格，閘室段計(jì)算模型見圖2。整個(gè)計(jì)算模型共劃分六面體單元216 554個(gè)，節(jié)點(diǎn)231 803個(gè)。坐標(biāo)軸方向：X軸指向下游為正，Y軸指向左側(cè)為正，Z軸豎直向上。

圖2 閘室段計(jì)算模型

2.3 材料屬性及模型概化

閘室段混凝土采用C30混凝土 ，圍巖類別整體為Ⅲ類，圍巖及混凝土均采用線彈性材料模型，相關(guān)材料的物理參數(shù)見表1。

表1 材料物理參數(shù)

根據(jù)《江坪河水電站導(dǎo)流洞混凝土質(zhì)量補(bǔ)充檢測成果報(bào)告》[1]，導(dǎo)流洞襯砌目前主要存在的缺陷有：局部沖蝕、部分區(qū)域混凝土回彈法強(qiáng)度測值低、裂縫、頂板部分區(qū)域存在脫空。其中，局部沖蝕造成的結(jié)構(gòu)尺寸變化極小，在結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算模型中不考慮。

對回彈法檢測強(qiáng)度推定值低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級的區(qū)域降低彈性模量，其概化示意見圖3；模擬實(shí)際裂縫，對所在單元進(jìn)行節(jié)點(diǎn)脫開處理，如圖4所示。

圖3 閘室段閘墻部分回彈結(jié)果概化示意

圖4 閘室段裂縫概化空間分布

2.4 荷載組合

計(jì)算工況為封堵期，閘門下放臨時(shí)封堵后至永久堵頭完建具備擋水條件的施工時(shí)段。荷載組合：外水壓力+圍巖壓力+結(jié)構(gòu)自重+閘門水推力+閘門前內(nèi)水壓力+閘門自重。其中，水頭按最高水位430 m考慮。

3 結(jié)果分析

3.1 位移分析

(1)缺陷模型1(彈性模量折減+頂拱90°脫空)。閘室段混凝土結(jié)構(gòu)各方向位移如圖5所示，盡管外部荷載對稱作用，但是由于巖層分布不對稱，襯砌位移左右不完全對稱，最大順流向位移約為1 mm，位于中段閘門槽附近，主要由閘門水推力引起。同時(shí)由于漸變段末端沒有中墩墻，外水壓力的作用下中墩墻末端附近區(qū)域，襯砌頂部變形較大，水平向最大位移約1 mm；橫河向最大位移位于左側(cè)閘墻中部區(qū)域，最大值為-2.82 mm；最大豎直向下位移為-9.89 mm，位于中墩墻末端襯砌頂部，最大豎直向上位移約為2.27 mm，位于閘室段下游側(cè)底板表面。

圖5 缺陷模型1混凝土結(jié)構(gòu)位移(單位：mm)

圖6 缺陷模型3混凝土結(jié)構(gòu)位移(單位：mm)

(2)缺陷模型2(彈性模量折減+裂縫布置+頂拱90°脫空)。閘室段混凝土結(jié)構(gòu)整體位移分布規(guī)律和最值與缺陷模型1基本相同。

(3)缺陷模型3(彈性模量折減+裂縫布置)。缺陷模型3混凝土結(jié)構(gòu)位移如圖6所示。從數(shù)值可以看出，由于拱頂和圍巖90°范圍按脫開考慮，外水壓力作用下，閘室下游末端沒有中墩支撐，所以拱頂下游段豎向位移較大，為-9.89 mm，當(dāng)拱頂和基巖按全粘接考慮時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)豎向位移明顯降低，頂部豎直向下位移最大值為-1.60 mm，由此可知，拱頂和基巖的結(jié)合狀態(tài)對整體結(jié)構(gòu)的變形有顯著影響。

(4)缺陷模型4(頂拱90°脫空)。表2列出了不同計(jì)算模型的閘室段混凝土結(jié)構(gòu)整體位移最值分布。從表4可以看出，缺陷的存在，對閘室整體結(jié)構(gòu)的位移分布和數(shù)值影響很小。

3.2 應(yīng)力分析

(1)缺陷模型1(彈性模量折減+頂拱90°脫空)。閘室段混凝土結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布見圖7。當(dāng)拱頂和圍巖90°范圍按脫開考慮時(shí)，在外水壓力作用下，由于閘室下游末端沒有中墩支撐，因而較大拉應(yīng)力主要位于中墩末端(D0+403.7)至下游段(D0+408)附近頂板區(qū)域，其中，最大拉應(yīng)力超過5 MPa；在門推力作用下，閘門槽下游側(cè)有較大的拉應(yīng)力，并存在應(yīng)力集中，局部拉應(yīng)力在2 MPa以上;其他區(qū)域無大拉應(yīng)力。最小主應(yīng)力分布見圖8。同樣由于閘室下游末端沒有中墩支撐，當(dāng)拱頂和圍巖90°范圍按脫開考慮時(shí)，下游端附近頂板區(qū)域壓應(yīng)力較大，最大約28 MPa。其他區(qū)域壓應(yīng)力都小于10 MPa，小于C30混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，也小于混凝土回彈法測值。

表2 不同缺陷模型下混凝土襯砌整體位移最大值 mm

圖7 缺陷模型1混凝土結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力(單位：MPa)

圖8 缺陷模型1混凝土結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力(單位：MPa)

(2)缺陷模型2(彈性模量折減+裂縫布置+頂拱90°脫空)。混凝土襯砌最大主應(yīng)力分布規(guī)律與缺陷模型1整體相同，除裂縫附近區(qū)域外，數(shù)值基本無差別。

(3)頂拱脫空度比較。以上成果中，頂板與圍巖之間90°范圍按脫開考慮，由于閘室下游端沒有中墩的支撐，在頂板出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力及壓應(yīng)力。地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果[1]顯示閘室局部區(qū)域頂板與圍巖之間僅有小范圍的脫空，脫空區(qū)域占比小于10%，因此以上設(shè)定的頂板與圍巖之間(90°范圍)脫開的條件是偏于安全考慮。以下對頂板與圍巖局部不同的角度脫空情況(90°、50°、30°、10°、完全粘接)進(jìn)行敏感性分析和比較。計(jì)算模型采用缺陷模型2(彈性模量折減+裂縫布置)。最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布見圖9、10。從圖9、10可見，隨局部脫空區(qū)域的逐漸減小，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力的數(shù)值也逐漸減小。當(dāng)脫空角度小于10°時(shí)，頂板拉應(yīng)力已小于1.8 MPa，最大壓應(yīng)力也小于10 MPa。因此，根據(jù)實(shí)測頂板脫空較小的情況，閘室下游段的實(shí)際應(yīng)力不大。

4 結(jié) 論

(1)導(dǎo)流洞閘室段三維有限元分析表明，回彈法檢測中發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)度不足的缺陷對整體結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力的影響較小，閘室段應(yīng)力和變形均在常規(guī)范圍內(nèi)，可以確保蓄水期閘門封堵安全。

圖9 缺陷模型2最大主應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖10 缺陷模型2最小主應(yīng)力分布(單位：MPa)

(2)裂縫缺陷僅對縫端附近的局部區(qū)域應(yīng)力有一定影響，裂縫周圍存在局部應(yīng)力集中，但對其他區(qū)域應(yīng)力的影響很小。

(3)頂拱脫空對閘室段安全存在較大影響，在頂板與圍巖90°范圍脫空情況下，閘室下游端承載力不能滿足要求，其他部位滿足承載要求；根據(jù)檢測結(jié)果，閘室頂板與圍巖之間僅有小范圍脫空，檢測脫空范圍約為10%，將頂部脫空范圍定位于拱頂中心線10°范圍，各斷面承載力均滿足要求。

(4)為確保蓄水期安全，建議對頂板脫空部位進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，同時(shí)對閘室段裂縫進(jìn)行化學(xué)灌漿處理以消除缺陷影響。