基于ANSYS 的四川岷江犍為航電樞紐工程泄水閘結構分析

王閨臣，杜 歡，余小華，劉 杰

（1.四川交通職業技術學院，四川 成都 610000；2.四川恒捷路通工程技術咨詢有限公司，四川 成都 610000；3.四川濟通工程試驗檢測有限公司，四川 成都 610000）

犍為航電工程位于四川省樂山市犍為縣境內，是樂山市第一農業大縣，工業基礎較薄弱，發展速度相對較慢。通過岷江（樂山～龍溪口）梯級航電工程的建設，除促進樂山、宜賓市的經濟和水路旅游發展外，也是帶動犍為縣經濟和鄉村旅游發展、加快犍為縣第三產業的快速發展的需要。犍為航電工程綜合開發可完善農業灌溉網絡和鄉鎮供水設施，使庫區河段獲得充足水量，保障農田灌溉和生活用水的供水條件，有利于促進當地的農業發展。

1 工程概述

岷江犍為航電樞紐工程位于岷江下游樂山市犍為縣境內，是規劃的岷江樂山至宜賓162 km 長河段航電六級開發方案的第3 級。工程開發任務為以航運為主、結合發電，兼顧供水、灌溉，并促進地方經濟社會發展。根據泄洪的要求，20年一遇泄流量需達到36100 m3/s，100年達到49400 m3/s，1000年校核的洪量達到69000 m3/s。根據泄流量、地形地質、泥沙等情況綜合考慮，擋泄建筑物采用平底閘的結構。閘門經過平板門和弧形門的比較、經過不同孔口寬度的比較，并結合水工模型試驗成果，推薦采用28 孔泄水閘，每孔15 m 凈寬，堰頂高程317.0 m，平板閘門的型式泄水閘溢流堰堰頂高程為317.00 m，擋水高度18.0 m；溢流堰面中部為水平直線段，上游以拋物線與豎直線連接，拋物線方程（x/7）2+(y/2)2=1，下游則以1∶3 的斜坡與消力池相連。閘墩主體長25.25 m，左岸20 個閘段（1#～20#）底板厚5 m，底面高程312.00 m 上、下游齒墻各深5 m，齒墻底高程307.00 m；右岸7 個閘段（21#～27#）底板厚8 m，底面高程309.00 m，上、下游齒墻各深4m，齒墻底高程305.00 m。在閘室底板上游部分設置灌漿排水廊道。底板順水流向長度為30.5 m。

2 泄水閘結構計算

泄水閘部分的結構應力計算采用ANSYS 三維計算[1]。根據布置及分縫情況，分別計算兩個壩段，包括1# 壩段和中間典型壩段。

2.1 中間典型壩段（3#～25# 壩段）

（1）計算工況及相應水位情況

犍為水電站上游庫水位、下游水位和水荷載計算條件見表1。

表1 犍為水電站上游庫水位和下游水位

（2）計算參數見表2。

表2 混凝土基本力學參數

配筋計算鋼筋選用HPB300，強度設計值fy=fy′＝300N/mm2。基巖按照地質分層及地質建議值指標。

（3）計算模型

采用三維實體全六面體單元模擬泄水閘及地基，見圖1。有限元模型共有單元13394 個，結點16184 個。

圖1 泄水閘典型壩段整體網格示意圖

（4）計算結果

①位移結果

從表3 來看，各種工況下最大順水流向位移為6.063 mm，出現在地震工況泄水閘閘墩頂部。各種工況最大鉛直向位移為5.997 mm（向下），出現在地震工況泄水閘閘墩下游頂部，見圖3。除一側檢修工況外，各種工況最大壩軸向位移左右基本對稱，但一側檢修工況最大壩軸向位移為6.924 mm，位于泄水閘閘墩上游頂部，見圖4。就泄水閘整體結構而言，泄水閘各個方向位移分布連續均勻。由于地震具有鞭梢效應等特性，地震工況的位移相對一般工況較大；在一側檢修工況，由于左右側水壓力很不平衡，泄水閘壩軸向位移較大。

表3 泄水閘整體三向位移范圍 單位:mm

圖2 地震情況泄水閘整體順水流向位移云圖（單位：m）

圖3 地震情況泄水閘整體鉛直向位移云圖（單位：m）

圖4 一側檢修情況泄水閘整體壩軸向位移云圖（單位：m）

②應力結果

各種計算工況下泄水閘整體三向最大拉應力，見表4，應力等值線云圖見圖5～圖7。

表4 泄水閘（中間壩段）整體三向應力峰值 單位:MPa

圖5 正常蓄水位情況泄水閘整體順水流向應力云圖（單位：Pa）

圖6 一側檢修情況泄水閘整體鉛直向應力云圖（單位：Pa）

圖7 正常蓄水位情況泄水閘整體壩軸向應力云圖（單位：Pa）

從泄水閘整體三向最大拉應力和應力等值線圖來看，泄水閘順水流向拉應力主要分布在閘墩頂部、門槽和閘基底部附近，分布范圍和最大拉應力都不大。

在一側檢修工況，閘墩右側底部附近分布較小范圍的拉應力，最大值為1.0 MPa，其余工況和部位基本上無鉛直向拉應力分布。壩軸向拉應力主要分布在閘基底面中部（沿閘墩分布）和閘門附近，最大值為0.41 MPa。

泄水閘的順水流向和壩軸向的壓應力較小；鉛直向壓應力較大，最大值為2.29 MPa。從泄水閘應力分布情況來看，泄水閘的設計是合適的。

2.2 邊壩段（1# 壩段）

（1）計算模型

1#壩段計算模型見圖8。

圖8 1#壩段計算模型

（2）計算工況

同中間壩段。

（3）計算結果

經過計算分析，檢修工況為控制工況。一個是1#孔正常擋水，2#孔檢修（檢修工況1）；另一種情況是1#檢修，2#孔正常擋水（檢修工況2）。由于變形過大，1# 墩止水需布置在下0+013.30。

從圖9～圖16 中可以看出，在檢修工況下，由于上游水壓力較大，并且伴有側向水壓力差，閘墩頂部有較大的位移（最大9.2 mm）。而在門槽部位、閘墩底部產生較大的應力集中，經過配筋計算分析，一般配筋在5Φ25 左右，結構布置比較合理。

圖9 檢修工況1 位移總圖

圖11 SY 拉應力（單位:Pa）

圖12 SZ 拉應力（單位:Pa）

圖13 總體位移圖（單位:m）

圖14 SX 拉應力（單位:Pa）

圖15 SY 拉應力（單位:Pa）

圖16 SZ 拉應力（單位:Pa）

3 結語

泄水閘作為主要利用閘門擋水的低水頭泄水建筑物，由閘室和上下游連接段組成，是水利工程的重要建筑物。泄水閘結構應力的計算分析對電站樞紐工程的運行安全十分重要。通過上文分析，岷江犍為航電樞紐工程泄水閘中間典型壩段（3#～25#壩段）地震工況的位移相對一般工況較大；在一側檢修工況下，由于左右側水壓力很不平衡，泄水閘壩軸向位移較大。

從泄水閘應力分布情況來看，泄水閘的設計是合適的。邊壩段（1#壩段）在檢修工況下，由于上游水壓力較大，并且伴有側向水壓力差，閘墩頂部有較大的位移，而在門槽部位、閘墩底部產生較大的應力集中，經過配筋計算分析，一般配筋在5Φ25左右，結構布置比較合理。