混凝土高拱壩表孔群應力分析

2021-12-15 01:59:58張石,肖妮

小水電 2021年6期

張石,肖妮

(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．水利部農村電氣化研究所，浙江杭州 310012；3．水利部農村水電工程技術研究中心，浙江杭州 310012)

0 引言

隨著我國水電事業的大力發展，新建了一系列的擋水大壩，拱壩由于省材、應力狀態良好、可建高壩等特點大受歡迎。拱壩由于空間效應顯著，表孔群應力受壩體整體變形影響大，其應力分布規律與重力壩不同。近年來對拱壩孔口進行的研究，主要針對應力分布及孔口配筋這方面。文獻[1_2]對溪洛渡拱壩進行了孔口配筋設計研究，對孔口進行了精細模擬，模型考慮了閘墩大梁等結構，選取典型孔口進行子模型分析，并配筋。文獻[3]研究了孔口閘墩對溪洛渡拱壩靜動力的影響，闡述動力工況下表孔閘墩應力分布，而靜力工況僅關注壩體應力，未分析孔口應力。文獻[4]對白鶴灘拱壩底孔的應力及配筋設計進行了研究，未涉及表孔，由于表孔與底孔形式不同，其應力分布存在很大差異。

本文對某西南水電工程大壩、壩基及孔口、閘墩等整體模型進行應力分析，評價表孔群周邊范圍應力水平、分布狀態；同時研究不同工況組合下對表孔群應力影響。

1 工程概況

某水電站位于我國西南地區，工程規模為大(1)型，樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發電系統等組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高155.00 m，泄水建筑物初擬采用壩身布置3個表孔和4個中孔，每個表孔寬為12 m、高為14 m，堰頂高程為2 080.00 m；4個中孔出口底板高程均為2 029.00 m，出口斷面尺寸為5.5 m×7 m，壩身最大泄量達11 200 m3/s。表、中孔出口處最大單寬流量分別達176 m3/s·m和222 m3/s·m。

2 計算情況

2.1 計算方法及模型

采用空間線彈性有限元程序對拱壩整體結構進行計算，對孔口周圍混凝土網格適當加密，以準確的確定孔口與壩體其他部位之間的內部相互作用力。計算時模擬拱壩分期施工和分期蓄水過程，考慮水壓力、泥沙壓力、溫度荷載及弧門推力等。水壓力為上下游靜水壓力，溫度荷載根據規范計算拱壩穩定溫度場，每孔弧門推力分別通過兩個支鉸作用在大梁上。

根據施工過程和計算分析要求需要，模擬壩身3個表孔、4個深孔以及相應的閘墩結構，建立了網格模型，采用六面體八結點等參單元進行離散。表孔自左岸至右岸依次編號為1、2、3號孔口(見圖1)。

進行網格剖分時，為保證孔口應力計算精度，對孔口部分進行了加密。孔口及周邊部位剖分較密，壩身其余部分及地基剖分較稀疏；在計算中采用了局部非協調網格插值算法[5]，對粗密網格之間位移進行了插值使其協調。

(a) 整體模型 (b) 壩體模型 (c) 表孔群模型

2.2 計算工況及參數

計算工況主要為以下6種：

工況1：正常蓄水位溫升(正常蓄水位水沙荷載+ 溫降+自重+弧門推力)。

工況2：正常蓄水位溫降(正常蓄水位水沙荷載+溫升+自重+弧門推力)。

工況3：僅開1、3號表孔(正常蓄水位水沙荷載+溫升+自重+弧門推力)。

工況4：僅開2號表孔(正常蓄水位水沙荷載+溫升+自重+弧門推力)。

工況5：檢修工況(正常蓄水位水沙荷載+溫降+自重+平板閘門推力)。

工況6：校核工況(校核洪水位水沙荷載+ 溫升+自重+弧門推力)。

其中：上游正常蓄水位2 094.00 m(相應下游水位1 988.50 m)，上游校核洪水位2 099.91 m(相應下游水位2 000.65 m)，上游淤沙高程2 016.36 m(淤沙浮容重5.0 kN/m3，內摩擦角0°)。

工況1、2、6表孔、中孔弧門推力全部參與計算；工況1、2表孔弧門推力20 384 kN、中孔弧門推力41 160 kN；工況6弧門全開，表孔弧門推力588 kN、中孔弧門推力637 kN；工況3不計1、3號表孔弧門推力；工況4不計2號表孔推力；工況5不計表孔推力，計入平板檢修閘門水荷載。

為簡化計算，壩體混凝土參數統一取值，壩體混凝彈模取22 GPa，重度24 kN·m-3，泊松比0.167，線脹系數1.0×10-5/℃，溫導系數3.0×10-3m2/h。

3 計算成果分析

3.1 不同工況應力比較

根據各工況下拱壩整體模型計算結果，提取表孔群應力結果對比分析，可以得出各工況下表孔應力分布規律基本一致，僅檢修工況略有不同。表 1列出各工況表孔群應力最值情況(見表1)，工況1與工況5作用下孔口群主拉應力如下所示(見圖2～圖3)。

圖2 工況1(弧門全關)：表孔第一主應力(單位：Pa)

圖3 工況5(檢修)：表孔第一主應力(單位：Pa)

根據計算結果，工況1(溫降)對應的主應力值最大，工況2(溫升)的主應力值小于工況1(溫降)的主應力值。工況3(僅開1號、3號表孔)與工況4(僅開2號表孔)應力值有所減小，但2號孔兩側閘墩應力有所增加。工況2中間閘墩主拉應力為0.762 MPa，出現在3號孔右側閘墩與堰面接觸部位上側。工況3及工況4中間閘墩主拉應力分別為0.794、0.786 MPa，位置與工況2相同。

結合表1可知，孔口打開泄流，對兩側閘墩應力有利，對中間閘墩不利，但應力水平變化并不大。工況5平板門槽附近出現拉應力，大小約為0.6 MPa，在門槽后方呈長條形分布；此外，由于無弧門推力作用，靠近大梁處的閘墩部分應力有所改善。工況6弧門推力小，但水位高，引起的拱壩變形大，導致最大拉應力較工況2大。

表1 表孔群應力最值 MPa

3.2 局部應力分析

為清楚了解表孔各部分應力分布情況，將表孔分為孔身段、大梁段與邊墩段進行分析。

表孔孔身段溢流堰堰面出現拉應力，最大拉應力0.41 MPa，出現在工況2作用下1號孔口堰面上；且拉應力范圍一直延伸到堰面以下10 m，其余兩孔堰面拉應力略小于1號孔。圖4列出工況1作用下1號孔順水流方向切面應力等值線圖(見圖4)。對大壩依次施加各種荷載發現，堰面拉應力絕大部分由自重引起，堰面進口與出口部分類似于懸臂梁結構，故在堰面上引起拉應力。

圖4 工況1 順水流方向切面應力等值線圖(單位：Pa)

表孔大梁拉應力水平較小，僅在弧門推力作用面上側出現小范圍拉應力，最大拉應力0.25 MPa，各孔應力大小基本一致，主要由弧門推力引起，弧門推力作用面位置則表現為壓應力。

工況1作用下高程2 088.6 m水平切面等值線如圖所示(見圖5)，閘墩拉應力主要出現在外側閘墩與大梁結合部位附近，應力成貝殼狀向外減小。工況1最大拉應力為1.72 MPa，在3號孔邊墩與大梁結合處中間位置。

圖5 工況1 表孔切面等值線圖(單位：Pa)

根據計算過程荷載施加情況分析，拱壩變形是引起閘墩拉應力大的主要原因，占65%左右；水推力作用引起拱壩拱端反推力，使得壩體有向中間靠攏的趨勢。由于表孔的存在，壩頂部位拱圈不再連續，盡管大梁起到一定的連接作用，但大梁剛度相對壩體來說較小，不能阻止拱壩向中間變形。閘墩懸于壩體部分由于下部支撐形變較小，閘墩變形不再協調，故在兩側閘墩內側處出現較大拉應力，其變形示意圖如下所示(見圖6)。閘墩拉應力小部分原因是由于弧門推力及溫度荷載引起，在大梁與閘墩結合部位附近出現拉應力，但引起的閘墩拉應力不超過0.4 MPa。