新疆托克遜縣某水庫放空沖沙兼導(dǎo)流洞有限元配筋分析

曹 凱

(吐魯番市清源水利水電勘測設(shè)計院有限公司，新疆 吐魯番 838000)

1 工程概況

新疆托克遜縣某水庫主要任務(wù)為農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)供水，遏制灌區(qū)地下水超采，是一座具有綜合效益的水庫樞紐工程[1]。放空沖沙兼導(dǎo)流洞布置在河床的右岸，是一條具有多種用途的水工隧洞。放空沖沙兼導(dǎo)流洞在水庫大壩工程截流后的施工過程中承擔(dān)施工導(dǎo)流任務(wù)，在水庫完建后，正常運(yùn)行期間由該隧洞完成沖沙、放空任務(wù)[2]。

2 計算依據(jù)及計算條件

2.1 計算斷面及模型

放空沖沙兼導(dǎo)流洞總長426.91 m，其中樁號0+000～0+121.97，全長121.97 m，為有壓段，斷面形式采用3 m×3.5 m城門洞型，有壓段隧洞采用鋼筋砼襯砌，襯砌厚度為0.6 m，樁號0+111.97～0+121.97為漸變段，由3 m×3.5 m城門洞型漸變?yōu)? m×3.5 m的矩形斷面；樁號0+121.97～0+141.07為工作閘井段，總長為19.1 m；樁號為0+141.07～0+426.91，總長為285.84 m，為無壓段，斷面形式采用3 m×4.0 m城門洞型，無壓段隧洞采用鋼筋砼襯砌，襯砌厚度為0.6 m，樁號0+141.07～0+151.07為漸變段，由3 m×4.0 m矩形斷面漸變?yōu)? m×4.0 m的城門洞型[3]。本次隧洞采用典型斷面計算，見圖1；隧洞有限元計算模型計算見圖2。

圖1 隧洞的典型計算斷面

圖2 隧洞的有限元計算模型

2.2 配筋計算原理

放空沖沙兼導(dǎo)流洞的配筋計算依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL191-2008)中6.4 正截面受拉承載力計算；裂縫寬度驗算依據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》(SL279-2016)附錄D混凝土襯砌裂縫寬度計算[4]。

2.3 計算軟件

大型通用有限元軟件ADINA(Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis)具備較豐富的材料庫、高效的非線性求解器、卓越的流固耦合分析功能以及完備的前后處理模塊，已廣泛應(yīng)用于土木、水利、航空、機(jī)械等領(lǐng)域的工程仿真分析中。由于ADINA能方便地模擬分期開挖、填筑施工、接觸等復(fù)雜的工程問題，已在巖土工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5]。

2.4 計算工況及參數(shù)

2.4.1 計算工況

本文僅針對某水庫導(dǎo)流洞的兩類典型斷面進(jìn)行分析，對于進(jìn)出口段的隧洞斷面需要進(jìn)行詳細(xì)的三維有限元整體分析[6]，荷載分項系數(shù)見表1，有壓隧洞工況荷載組合見表2，無壓隧洞工況荷載組合見表3。

表1 荷載分項系數(shù)

表2 有壓隧洞工況荷載組合

表3 無壓隧洞工況荷載組合

2.4.2 計算參數(shù)

結(jié)合工程地質(zhì)情況及結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定隧洞計算材料參數(shù)，見表4。

表4 襯砌混凝土及鋼材材料參數(shù)

3 有限元計算結(jié)果

通過大型通用有限元軟件ADINA計算出隧洞的最大拉應(yīng)力，見表5及圖3。

表5 隧洞最大拉應(yīng)力

圖3 隧洞的有限元計算結(jié)果

4 配筋及裂縫寬度計算

利用應(yīng)力積分的原理求取隧洞的內(nèi)力，并依據(jù)規(guī)范完成隧洞的配筋計算。具體過程見表6。

表6 配筋及裂縫寬度驗算表

5 結(jié) 論

依據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》(SL279-2016)和《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL191-2008)，按正常使用極限狀態(tài)對襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行限裂設(shè)計，通過利用大型通用有限元軟件進(jìn)行分析計算，對于有壓隧洞，襯砌厚0.6 m的斷面，配筋的控制工況為校核工況，確定配筋方案為內(nèi)外各配5φ25@200；對于無壓隧洞，襯砌厚0.6 m的斷面，配筋的控制工況為施工導(dǎo)流工況，確定配筋方案同樣為內(nèi)外各配5φ25@200。結(jié)果為隧洞配筋計算提供理論依據(jù)。