楊房溝拱壩表孔大梁施工方案及受力分析

魏 海 寧， 宋 志 偉， 吳 陽， 李 啟 常， 戴 永 琪

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610000；3.河海大學，江蘇 南京 210000)

1 概 述

楊房溝水電站擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2 102 m，壩高155 m，拱冠梁頂寬9 m，底寬32 m，厚高比0.206。壩頂中心線弧長362.17 m，共分17個壩段。壩身布置4個表孔和3個中孔，表孔采用自由溢流WES堰接出口收縮的跌流型式，中孔采用有壓流接出口窄縫出流的射流型式。4個跨橫縫布置的表孔尺寸10 m×14 m(寬×高)，表孔弧門支撐大梁既可以作為弧門的支撐結構及壩頂公路，更重要的是能在一定程度上恢復拱壩頂部拱圈，減小開孔對拱壩結構的不利影響，提高拱壩上部結構的整體性，對保持拱壩良好的工作性態有重要作用。由于表孔流道兩側閘墩難以同步上升，且為了減小溫度應力，表孔支撐大梁不能在施工期初期連成整體，需要對大梁先預留寬縫再回填，若寬縫回填不密實，則將形成其兩側懸臂梁各自單獨受力的狀況。鑒于表孔大梁的以上特點，其受力條件十分復雜，施工難度大，有必要對其分縫方案及受力狀況進行分析。楊房溝拱壩表孔結構平面布置及表孔沿流道中心線剖面見圖1、2。

圖1 表孔結構平面布置圖(單位：高程m，結構尺寸cm)

圖2 表孔沿流道中心線剖面圖(單位：高程m，結構尺寸cm)

2 表孔大梁施工期分縫方案

表孔大梁一般的施工期分縫方式有兩種，即大梁跨中分縫和閘墩分縫[1]。目前，以上兩種分縫方案在國內高拱壩中均有采用，跨中分縫的工程有構皮灘[2]、錦屏一級[3]等，閘墩分縫的工程有二灘[4]、溪洛渡、烏東德、白鶴灘等。大梁跨中分縫具有以下優點：(1)大梁與閘墩可以整體澆筑，大梁與閘墩連接可靠；(2)施工期閘墩兩側大梁為懸臂結構，可自由伸縮，從而充分釋放施工期溫度應力；(3)由于結構對稱，跨中縫面剪力為零，縫面處理難度較小；(4)表孔流道兩側閘墩不需要同步上升，各壩段施工互不影響。鑒于此，楊房溝表孔弧門支撐大梁施工采用跨中分縫。分縫形式采用“瓶塞形”寬縫，頂寬2.5 m，底寬2.0 m，并預留鋼筋接頭。考慮寬縫寬度較小，混凝土回填后收縮量較小，其兩側縫面不設接縫灌漿系統。

3 大梁分縫對表孔受力影響分析

首先，按寬縫回填后大梁形成整體計算大梁及閘墩應力、變形。其次，按寬縫回填不密實，寬縫兩側懸臂梁各自單獨受力計算，并對兩種受力狀況進行對比，以判斷寬縫回填不密實對孔口結構的影響。計算采用三維有限元子模型法[5]，即先建立包含大壩、壩基、孔口、閘墩等結構整體模型，然后對重點關注的孔口、閘墩、大梁范圍進行網格加密處理，建立精細子模型，以滿足計算精度。在子模型上施加位移邊界條件及相應荷載進行計算，位移邊界取整體模型的計算成果(圖3～5)。

3.1 計算工況及參數

上游水位取正常蓄水位2 094 m，此時表孔弧門單個支鉸推力P=1 040 t。表孔閘墩和大梁采用C30混凝土，容重γ=24 kN/m3，彈模E=22 GPa，泊松比λ=0.167。

圖3 楊房溝拱壩整體模型

圖4 表孔閘墩及大梁子模型(無寬縫)

圖5 表孔閘墩及大梁子模型(有寬縫)

3.2 計算結果及受力特點

(1)大梁應力。大梁無寬縫時，其拉應力水平很小，主要分布在大梁與閘墩結合處附近、大梁下游面和底面，大梁上游面由于弧門推力的作用主要為壓應力。大梁有寬縫時，其壓應力水平很小，主要分布在弧門推力作用面以及大梁下游面與兩側閘墩結合處附近，而大梁上游面與兩側閘墩結合處附近的拉應力較大。表1列出表孔大梁主應力最大值對比情況，圖6、7為兩種工況大梁第一主應力分布。

圖6 大梁第一主應力(Pa)(無寬縫)

圖7 大梁第一主應力(Pa)(有寬縫)

(2)閘墩應力。大梁無寬縫時，表孔閘墩拉應力主要分布在閘墩與大梁、孔身段結合處周圍，其中左側閘墩與大梁結合處附近的拉應力較大，成貝殼狀分布且應力值逐層向外遞減，壓應力主要分布在閘墩與孔身段、壩體結合處。大梁有寬縫時，閘墩與大梁、堰面結合處的拉應力增大，其中堰面與左側閘墩結合處附近的拉應力較大，閘墩與孔身段結合處的壓應力增大，其中下游堰面閘墩與左側閘墩結合處的壓應力較大。表2列出三種工況作用下大梁有無寬縫時的表孔閘墩主應力最值對比情況，圖8、9為兩種工況閘墩第一主應力分布。

表1 表孔大梁主應力

表2 表孔閘墩主應力

圖8 閘墩第一主應力(Pa)(無寬縫)

圖9 閘墩第一主應力(Pa)(有寬縫)

(3)大梁變形。大梁無寬縫時，x向位移最大值出現在大梁頂面與左側閘墩結合處，y向位移最大值出現在大梁下游面與右側閘墩結合處，z向位移最大值出現在大梁頂面與右側閘墩結合處。大梁有寬縫時，大梁位移分布情況變化不大。表3列出三種工況作用下有無寬縫時的表孔大梁最大位移對比情況，圖10、11為兩種工況大梁y向位移情況。

圖10 大梁y向位移(m)(無寬縫)

圖11 大梁y向位移(m)(有寬縫)

(4)閘墩變形。大梁無寬縫時，x向位移最大值出現在左側閘墩上游面，y向位移最大值出現在右側閘墩下游面，z向位移最大值出現在右側閘墩。大梁有寬縫時，表孔閘墩位移分布情況變化不大。表4列出三種工況作用下大梁有無寬縫時的閘墩最大位移對比情況，圖12、13為兩種工況閘墩y向位移分布。

表3 表孔大梁最大位移

表4 表孔閘墩最大位移

圖12 閘墩y向位移(m)(無寬縫)

圖13 閘墩y向位移(m)(有寬縫)

(5)經計算分析，在大梁無寬縫、有寬縫兩種受力狀況下，大梁及閘墩應力分布存在一定差異，應力極值均在可控范圍，通過配筋均可滿足受力要求，位移分布和極值差異不大。

4 寬縫回填施工技術要求

為保證回填混凝土施工質量，使寬縫回填密實，需要明確回填混凝土時間與拱壩橫縫接縫灌漿的關系、混凝土溫控要求、分層要求等施工技術要求。

(1)寬縫回填時機。大梁底高程為2 089 m，寬縫回填應在第十五層灌區(高程2 079～2 092 m)接縫灌漿后進行，且第十六層灌區(高程2 092～2 102 m)拱壩及大梁混凝土冷卻至接縫灌漿溫度，混凝土齡期不小于90 d。應先完成寬縫回填(1～4號表孔寬縫回填施工應同步進行)，待回填混凝土齡期滿28 d后，再進行兩側橫縫的接縫灌漿(按照由中間向兩岸逐步推進的要求進行接縫灌漿)。

(2)寬縫回填前縫面處理。應將寬縫兩側縫面深鑿毛處理，需鑿除深度1～2 cm，達到“微露小石”標準。寬縫內鋼筋連接應在大梁混凝土溫度降至封拱溫度后開始，以充分釋放施工期混凝土溫度應力。

(3)寬縫回填混凝土及澆筑方式。采用C30F200W10二級配混凝土。回填混凝土采用分層澆筑的方式，層厚宜采用3～4.5 m。

(4)回填混凝土溫度控制。澆筑溫度按照不超過14 ℃控制且不能低于7 ℃，最高溫度按不超過29 ℃控制，回填混凝土至少冷卻至15 ℃后再進行兩側橫縫的接縫灌漿。回填混凝土中埋設冷卻水管(1 m×1 m)，冷卻水管入口處參考通水溫度為8 ℃～10 ℃，宜分兩期通水冷卻，之間宜間歇或控溫5～10 d，一期通水冷卻目標溫度為21 ℃，日最大降溫不宜超過1 ℃，且日平均降溫不宜超過0.6 ℃。二期通水冷卻目標溫度為15 ℃，日最大降溫不宜超過0.6 ℃，且日平均降溫不宜超過0.4 ℃。若采用小流量連續通水，通水總時間不宜低于25 d。

(5)表孔弧門支撐大梁施工需搭設大量型鋼或腳手架支撐。由于支架高度及承受荷載較大，且為高空作業，施工安全風險高。表孔大梁混凝土澆筑層厚第一層采用1.5 m，第二層1.5 m，第三層及以上按不超過4.5 m控制，層間間歇期按5～10 d控制(其中第一層、第二層澆筑滿7 d齡期后方可澆筑下一層)，不宜超過14 d。

5 結 語

高拱壩表孔大梁受力條件復雜，施工難度大，筆者對其分縫方案及受力狀況進行分析。表孔大梁施工期采用跨中“瓶塞形”分縫施工方案，與閘墩分縫方案相比，具有結構可靠且便于施工的特點，可在同類工程中推廣使用。

對大梁無寬縫、有寬縫進行的對比分析表明，兩種受力狀況下大梁及閘墩應力分布存在一定差異，應力極值均在可控范圍，通過配筋均可滿足受力要求。位移分布和極值差異不大。按照控制工況進行配筋設計后，即使大梁回填施工存在不密實的情況，孔口結構仍能正常工作。

為保證回填混凝土施工質量，對回填時間與拱壩橫縫接縫灌漿的關系、混凝土溫控、分層等提出了技術要求。目前楊房溝表孔大梁、閘墩已澆筑完成，寬縫回填已部分完成，施工過程順利、質量優良，可為類似工程提供借鑒。