初探平面框架模型在文坑水庫(kù)塔式進(jìn)水口計(jì)算中的應(yīng)用

葉喬波

（三明市明興水利水電勘察設(shè)計(jì)有限公司，福建 三明 365000）

在水工建筑物中，大體積不規(guī)則混凝土建筑物比較多。但是因?yàn)榇篌w積不規(guī)則混凝土自身的原因，容易出現(xiàn)一些安全隱患。而如果出現(xiàn)了安全隱患，會(huì)對(duì)整個(gè)水利工程的效益成本帶來(lái)巨大的影響。為了確保水利工程的效益并消除安全隱患，下面結(jié)合具體實(shí)例探討了平面框架模型在水工建筑物結(jié)構(gòu)計(jì)算中的應(yīng)用。

1 工程概況

尤溪縣文坑水庫(kù)工程是三明市“十二五”煙草行業(yè)水源工程援建項(xiàng)目，其壩址位于尤溪縣溪尾鄉(xiāng)大寧村境內(nèi)，所在流域?yàn)殚}江尤溪流域華蘭溪左支流綱紀(jì)溪上游河道上，是一座以灌溉為主兼顧供水等綜合利用的水利工程，可承擔(dān)溪尾鄉(xiāng)的大寧、綱紀(jì)、埔寧等行政村耕地13630 畝灌溉的農(nóng)業(yè)用水，同時(shí)作為溪尾鄉(xiāng)的供水水源，供水目標(biāo)為0.45 萬(wàn)t/d，并與現(xiàn)有供水水源實(shí)現(xiàn)水量互補(bǔ)以提高供水的安全保障程度。水庫(kù)壩址以上流域面積26.1 km2，總庫(kù)容285.23 萬(wàn)m3，屬小（1）型水庫(kù)，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級(jí)別為4 級(jí)，次要建筑級(jí)別為5 級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為30 a 一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為300 a 一遇。

2 基本資料

文坑水庫(kù)工程由攔河壩、溢洪道、進(jìn)水口、引水隧洞、灌溉渠道等組成。其中，進(jìn)水口布置在攔河壩左岸上游約50 m 處岸坡下部，岸坡地形坡度約30°～40°，場(chǎng)地出露地層為南園組凝灰熔巖，呈弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，邊坡未見(jiàn)滑坡體，崩塌體等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，未見(jiàn)有危及進(jìn)水塔邊坡穩(wěn)定的不良地質(zhì)作用。進(jìn)水口采用塔式單層布置，主要由進(jìn)水喇叭口段、塔身、通氣孔等組成。進(jìn)水口底高程287.00 m，檢修平臺(tái)高程317.20 m。正常蓄水位312.50 m，死水位291.00 m，設(shè)計(jì)洪水位314.73 m，校核洪水位315.55 m，設(shè)計(jì)流量為1.41 m3/s，地震基本烈度為Ⅵ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g。啟閉房?jī)?nèi)布置兩臺(tái)QPQ-630 固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉機(jī)。

塔式進(jìn)水口采用C25 鋼筋混凝土，塔身橫截面為矩形形狀，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)8.1 m，垂直水流向5.2 m，塔身高30.2 m。進(jìn)水塔設(shè)2 道閘門，第一道為事故檢修閘門，第二道為工作閘門，后設(shè)通氣孔。檢修閘門和工作閘門孔口尺寸為1.8 m×2.3 m（寬×高），事故檢修閘門與工作閘門設(shè)0.8m 厚隔墻，工作閘門與通氣孔設(shè)0.6 m 厚隔墻，通氣孔為矩形孔，尺寸為1.6 m×0.8 m（長(zhǎng)×寬），塔身橫剖面見(jiàn)圖1。

圖1 塔身橫剖面圖

3 分析工況和計(jì)算模型

3.1 分析工況

文坑水庫(kù)所在流域多年平均氣溫為18℃，地震基本烈度為Ⅵ度，為了分析簡(jiǎn)便，本次分析不考慮溫度荷載、冰壓力、風(fēng)壓力和浪壓力等因素的影響。

根據(jù)文坑水庫(kù)塔式進(jìn)水口實(shí)際運(yùn)行情況，運(yùn)行狀態(tài)為運(yùn)行期和檢修期。在運(yùn)行期內(nèi)，由于塔身沿著順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度較短，可忽略水頭損失，塔式進(jìn)水口門槽內(nèi)外水位等于庫(kù)水位，塔身基本處在平壓狀態(tài)，故塔身內(nèi)力主要由豎向平面內(nèi)大體積混凝土引起的豎向壓力為主，而由水平平面內(nèi)水荷載產(chǎn)生的內(nèi)力可忽略。在檢修期，檢修閘門關(guān)閉，工作閘門檢修，由于檢修閘門止水均為后止水，檢修閘門門槽有水，工作閘門門槽無(wú)水，塔身內(nèi)力雖仍以豎向壓力為主，但由于檢修閘門前后存在水位差，由水平平面內(nèi)水荷載產(chǎn)生的內(nèi)力不可忽略，其大小將直接關(guān)乎水平平面內(nèi)混凝土的配筋。

本次分析在檢修期內(nèi)庫(kù)水位處于正常蓄水位，檢修閘門開(kāi)啟，工作閘門關(guān)閉情況下塔身在水壓力作用下混凝土內(nèi)力的工況。根據(jù)分析，最大的危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)該出現(xiàn)在事故檢修閘門與工作閘門之間的隔墻的最低端，因此塔身的最易出現(xiàn)破壞的區(qū)域即在事故檢修閘門與工作閘門之間的隔墻的下端部附近。

因此，在事故檢修閘門與工作閘門之間的隔墻不利工況是在檢修期，不在運(yùn)行期；不利位置在隔墻的最低端。

3.2 計(jì)算模型

基于以上的分析結(jié)果將事故檢修閘門與工作閘門之間的隔墻端部單獨(dú)取出，作為配筋計(jì)算的設(shè)計(jì)依據(jù)，按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008）桿件體系鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)以及正常使用極限狀態(tài)和非桿件體系鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算原則之規(guī)定進(jìn)行混凝土的應(yīng)力配筋計(jì)算。

針對(duì)事故檢修閘門與工作閘門之間的隔墻內(nèi)力計(jì)算方法常見(jiàn)的有為一維固端梁模型、二維平面框架模型和三維有限元模型。其中，在塔式進(jìn)水口計(jì)算模型中三維有限元方法認(rèn)可度比較高，但三維有限元方法基于區(qū)域上的變分原理和剖分插值，待求未知數(shù)多，要求解的方程規(guī)模大，導(dǎo)致輸入數(shù)據(jù)多，計(jì)算的準(zhǔn)備工作量大，故其在一些小型水利工程中推廣的程度較低。

本文通過(guò)對(duì)比一維固端梁模型和二維平面框架模型，找出適合小型塔式進(jìn)水口的計(jì)算模型。

3.2.1 一維固端梁模型

在正常蓄水位情況下，截取高程為291.0 m～292.0 m 間的隔墻作為計(jì)算對(duì)象，將其視為兩端固結(jié)于塔身的固端梁，計(jì)算跨度L0=4.1 m，梁高H=0.8 m，跨高比L0/H=5.1。

按結(jié)構(gòu)力學(xué)法［1]算出隔墻的最大彎矩為Mmax=309.91 kN·m，最大剪力為Vmax=453.53 kN，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 一維固端梁計(jì)算簡(jiǎn)圖

3.2.2 二維平面框架模型

在正常蓄水位情況下，截取高程為291.0 m～292.0 m 間的塔身作為計(jì)算對(duì)象，忽略二期混凝土，將其簡(jiǎn)化為單位高度內(nèi)二維平面框架模型，桿件的截面高度按隔墻或邊墻的厚度取，桿件的截面寬度為1.0 m，桿件的計(jì)算跨度按相鄰隔墻或邊墻中心線的間距取，桿件的斷面尺寸及計(jì)算跨度特性見(jiàn)表1。

表1 斷面尺寸及計(jì)算跨度特性表 單位：m

按結(jié)構(gòu)力學(xué)法［1]計(jì)算出隔墻的最大彎矩為Mmax=315.45 kN·m， 最大剪力為Vmax=453.53 kN，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 二維平面框架計(jì)算簡(jiǎn)圖

3.2.3 兩種計(jì)算模型對(duì)比分析

在檢修工況下，一維固端梁模型和二維平面框架模型計(jì)算得出最大剪力值相同，最大彎矩值之差ΔMmax=5.54 kN·m。隨著檢修閘門前后水位差的增大，最大彎矩值之差亦增大。通過(guò)和其他文獻(xiàn)資料［2-6]對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在檢修工況下，事故檢修閘門與工作閘門之間的隔墻所受的內(nèi)力最大。

從模型上看，二維平面框架模型更能反映隔墻與周圍構(gòu)件的關(guān)系，與工程實(shí)際情況更貼合；從工程安全角度，二維平面框架模型彎矩計(jì)算值更大，且最大彎矩直接影響構(gòu)件配筋的大小。綜上考慮，推薦二維平面框架模型計(jì)算出最大彎矩值作為配筋計(jì)算的設(shè)計(jì)依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)計(jì)算表明，在檢修期，事故檢修閘門與工作閘門之間隔墻受力狀態(tài)與運(yùn)行期不一樣，在配筋和裂縫寬度驗(yàn)算計(jì)算中應(yīng)加以注意。

（2）較三維有限元模型，二維平面框架模型在實(shí)際運(yùn)用中計(jì)算方法簡(jiǎn)單，計(jì)算成果可靠；較一維固端梁模型，二維平面框架模型更加貼合實(shí)際和安全。二維平面框架模型計(jì)算方法原理清晰，計(jì)算過(guò)程明確，成果可靠。

（3）通過(guò)對(duì)比一維固端梁計(jì)算法和二維平面框架計(jì)算法的成果，得出二維平面框架模型具有相對(duì)優(yōu)越性，對(duì)以后的小型水庫(kù)塔式進(jìn)水口設(shè)計(jì)工作有很好的指導(dǎo)作用，對(duì)工程施工有很好的指導(dǎo)作用。