長(zhǎng)有壓泄水孔鋼襯結(jié)構(gòu)有限元分析

石 磊，徐 軼，查志成

（1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010；2.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430010）

針對(duì)混凝土重力壩或混凝土拱壩,除了在壩頂設(shè)置溢流表孔作為泄洪設(shè)施外,對(duì)于混凝土中高壩,還可以根據(jù)不同泄水功能要求,在壩身設(shè)置壩身泄水孔,壩身泄水孔可以根據(jù)不同泄洪要求,調(diào)節(jié)水庫(kù)庫(kù)水位；通常在混凝土壩壩身根據(jù)不同要求布置泄洪中孔、泄洪深孔、泄洪底孔等。

其中壩身泄水孔除了可以作為泄洪用途外,一部分壩身泄水孔可作為水庫(kù)、水電站放空孔使用,此外,還有一部分可作為沖沙孔使用。

壩身泄水孔根據(jù)水壓力分布的不同可以分為短有壓泄水孔與長(zhǎng)有壓泄水孔兩大類；對(duì)于長(zhǎng)有壓泄水孔,一般布置在壩身高程較低處,泄水過程中,作用水頭以及孔內(nèi)流速相對(duì)較高,當(dāng)庫(kù)水含沙量較大、或泄水孔頻繁用做沖沙孔時(shí),通常會(huì)在泄水孔內(nèi)設(shè)置鋼襯結(jié)構(gòu)來(lái)避免泄水孔內(nèi)壁磨損破壞。

壩身長(zhǎng)有壓泄水孔內(nèi)設(shè)置鋼襯結(jié)構(gòu),在施工及運(yùn)行階段,鋼襯結(jié)構(gòu)受力狀況不同,使用材料力學(xué)方法很難獲得鋼襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,本文結(jié)合鋼襯結(jié)構(gòu)施工、運(yùn)行完整流程,針對(duì)某水電站中孔鋼襯結(jié)構(gòu),采用有限單元法對(duì)鋼襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析。

1 工程概況

某水電站項(xiàng)目大壩為碾壓混凝土重力壩,最大壩高為131.0 m,壩頂高程為190.0 m,河床壩基建基面高程為59.0 m；水電站正常蓄水位為184.0 m,設(shè)計(jì)洪水位為185.68 m,校核洪水位為189.1 m；大壩壩身布置有2 孔泄洪中孔,為長(zhǎng)有壓泄水孔,孔口截面為矩形截面,孔身段截面尺寸為5 m×7 m（寬×高）,出口截面尺寸為5 m×6 m（寬×高）,底板高程為110.0 m；正常蓄水位下的下泄流量為2028.15 m3/s。中孔上游側(cè)設(shè)置一道檢修閘門,中孔出口處設(shè)置一道工作弧門；中孔結(jié)構(gòu)斷面圖見圖1。

圖1 中孔結(jié)構(gòu)布置斷面圖

水電站所處河流年平均懸移質(zhì)為20.75×106t,年平均推移質(zhì)輸沙量為4.15×106t,年平均含沙量為0.734 kg/m3；水流泥沙含量較大,考慮到中孔泄洪時(shí)泥沙對(duì)孔壁沖刷等的不利影響,因此在中孔內(nèi)設(shè)置一層Q345R 鋼內(nèi)襯,以起到對(duì)中孔內(nèi)壁保護(hù)的作用。鋼襯三維結(jié)構(gòu)見圖2。鋼襯厚20.0 mm,為了使鋼襯與混凝土很好的連接,在鋼襯結(jié)構(gòu)上,每隔1.5 m 布置一道加勁環(huán),加勁環(huán)使用拉筋與中孔周邊混凝土連接,拉筋規(guī)格為C25,鋼襯頂部與底部加勁環(huán)拉筋均布置8 根,左右側(cè)加勁環(huán)拉筋均布置14 根；為了排出鋼襯外壁滲水,在鋼襯外每間隔4 m 布置一道環(huán)繞鋼襯外壁的環(huán)形排水盲溝。

圖2 中孔鋼襯結(jié)構(gòu)三維軸側(cè)圖

2 計(jì)算工況分析

2.1 施工階段

鋼襯孔身段截面尺寸為5 m×7 m（寬×高）,在施工過程中,由于鋼襯斷面較大,周邊混凝土的澆筑需要分倉(cāng)澆筑,在澆筑兩側(cè)混凝土?xí)r,未達(dá)到初凝的流態(tài)混凝土對(duì)鋼襯結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不利影響,根據(jù)工程施工進(jìn)度的需要,鋼襯兩側(cè)混凝土分兩倉(cāng)澆筑,每倉(cāng)澆筑層高為3.5 m。

此外,在鋼襯周邊混凝土澆筑施工完成后,進(jìn)行鋼襯底部回填灌漿施工,回填灌漿將會(huì)填充鋼襯底部因振搗不密實(shí)而產(chǎn)生的空腔；在鋼襯底板布置灌漿孔,對(duì)空腔進(jìn)行回填,鋼襯回填灌漿最大壓力為0.1 MPa,灌漿壓力將會(huì)對(duì)鋼襯結(jié)構(gòu)造成不利的影響。

2.2 運(yùn)行階段

水電站正常運(yùn)用過程中,中孔所受的孔內(nèi)水壓力等外荷載由孔壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼襯聯(lián)合承擔(dān),鋼襯不但作為耐磨損結(jié)構(gòu),而且作為內(nèi)水壓力的直接作用對(duì)象,通過鋼襯將中孔內(nèi)水壓力傳遞至中孔鋼筋混凝土,中孔內(nèi)水壓力將對(duì)鋼襯產(chǎn)生不利影響。

同時(shí),考慮到鋼襯與混凝土內(nèi)壁可能存在接觸不良以及裂縫的情況,在正常運(yùn)用期間上游庫(kù)水會(huì)通過壩體滲透進(jìn)這些部位,導(dǎo)致鋼襯出現(xiàn)外局部水壓力的情況；雖然壩體混凝土滲透能力有限,但這種現(xiàn)象還是有可能發(fā)生。

在運(yùn)行過程中,當(dāng)中孔進(jìn)行檢修時(shí),檢修閘門將會(huì)啟用,如果檢修閘門后的鋼襯外壁部位與上游水庫(kù)存在連通性裂縫,將會(huì)使得鋼襯外壁承受局部較大的外水壓力。

在設(shè)計(jì)過程中采取了四種措施避免這種情況的發(fā)生；第一,在大壩上游部位的壩體中設(shè)置了壩體排水,降低庫(kù)水的滲透作用；第二,鋼襯上游端布置兩道止水環(huán),結(jié)合鋼襯加勁環(huán),很好地阻斷上下游潛滲透通道；第三,在鋼襯外側(cè)每隔4 m 布置了一圈排水盲溝,以排出鋼襯外壁少量的滲水；第四,鋼襯最容易發(fā)生滲透通道的部位,往往是澆筑過程中很難振搗的部位,即鋼襯底部與中孔底板混凝土接觸部位,為了防止中孔底板滲透通道的發(fā)生,對(duì)鋼襯底部進(jìn)行回填灌漿。

因此,綜合采用以上各種措施后,認(rèn)為鋼襯在運(yùn)行過程中能較好地避免潛在滲透通道的產(chǎn)生,避免鋼襯承受局部外水壓力的情況。

2.3 計(jì)算工況

對(duì)施工階段、運(yùn)行階段中孔鋼襯所處環(huán)境進(jìn)行綜合分析,鋼襯結(jié)構(gòu)可能存在不利工況主要有3 種,施工階段鋼襯混凝土澆筑工況、施工階段鋼襯回填灌漿工況,以及正常運(yùn)行階段鋼襯承受內(nèi)水壓力工況。鋼襯有限元計(jì)算工況見表1。

表1 中孔鋼襯有限元計(jì)算工況

3 有限元分析

3.1 計(jì)算模型

針對(duì)工況1 與工況2,選用檢修閘門井與工作弧門之間較大的洞身鋼襯段進(jìn)行分析,該段沿水流方向長(zhǎng)度為13.5 m,底孔截面高×寬=5 m×7 m,鋼襯厚度為20 mm,每隔1.5 m 設(shè)置一道加勁環(huán),加勁環(huán)厚度為2 cm,寬25 cm,建立殼單元模型,見圖3。

圖3 有限元計(jì)算模型（工況1、2）

針對(duì)工況3,選用檢修閘門井與工作弧門之間較大的洞身鋼襯段進(jìn)行分析,選取沿上下游方向1.5 m 段建立鋼襯與混凝土組合模型；鋼襯截面高×寬=5 m×7 m,厚度為20 mm,外圍混凝土厚度為5 m。采用solid185 單元進(jìn)行模型離散,計(jì)算模型見圖4。

圖4 有限元計(jì)算模型（工況3）

3.2 計(jì)算荷載

根據(jù)施工要求,混凝土分兩倉(cāng)澆筑,工況1,兩側(cè)流態(tài)混凝土壓力將分兩個(gè)荷載步施加,當(dāng)澆筑第二倉(cāng)混凝土?xí)r,第一倉(cāng)混凝土已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度,對(duì)鋼襯結(jié)構(gòu)將是約束作用。

工況2 為回填灌漿施工工況,回填灌漿作業(yè)面在中孔底板部位,灌漿在鋼襯底部進(jìn)行開孔施工,灌漿壓力均勻施加在鋼襯底部外側(cè)面。

工況3,主要承受運(yùn)行期水荷載作用,按正常蓄水位184.0 m 進(jìn)行設(shè)計(jì),中孔底板高程為110.0 m,最大作用水頭為74.0 m,按靜水壓力施加。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)有限元計(jì)算,各工況鋼襯應(yīng)力極值的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 中孔鋼襯應(yīng)力極值表

4.2 應(yīng)力分析

鋼襯結(jié)構(gòu)采用Q345R 鋼板焊接而成,鋼板的屈服強(qiáng)度（設(shè)計(jì)強(qiáng)度）為325 MPa。

（1）工況1 應(yīng)力分析

工況1 最大主拉應(yīng)力為156.0 MPa,發(fā)生在加勁環(huán)與鋼襯焊接部位,最大主壓應(yīng)力為104.0 MPa,發(fā)生在兩加筋環(huán)之間的鋼襯中部,與中孔混凝土壁接觸部位,計(jì)算得出的應(yīng)力小于鋼板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,故不存在強(qiáng)度破壞問題。

同時(shí),鋼襯加筋環(huán)的約束由加筋環(huán)上的拉筋提供,鋼襯兩側(cè)加勁環(huán)上均布置有14 根拉筋,因此選取鋼襯側(cè)邊加勁環(huán)上的應(yīng)力路徑以獲得該部位鋼筋的應(yīng)力,該處沿應(yīng)力路徑上的應(yīng)力分布見圖5～圖6,其中橫坐標(biāo)為長(zhǎng)度（m）,縱坐標(biāo)為應(yīng)力（Pa）。

圖5 第一加載步沿路徑上的應(yīng)力分布圖

圖6 第二加載步沿路徑上的應(yīng)力分布圖

按最大拉應(yīng)力為5417.973×103Pa 計(jì)算,拉筋承擔(dān)的應(yīng)力為86.1 MPa,遠(yuǎn)小于鋼筋的抗拉強(qiáng)度420 MPa,工況1 應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。

（2）工況2應(yīng)力分析

最大主拉應(yīng)力為219.0 MPa,發(fā)生在兩加筋環(huán)之間的鋼襯底板中部的內(nèi)壁及鋼筋與加筋環(huán)焊接部位,最大主壓應(yīng)力為219.0 MPa,發(fā)生在兩加筋環(huán)之間的鋼襯中部的外壁。最大主拉、壓應(yīng)力小于鋼板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,故不存在強(qiáng)度破壞問題。

同時(shí),鋼襯加筋環(huán)的約束由加筋環(huán)上的拉筋提供,鋼襯底部加勁環(huán)上布置有8 根拉筋,因此選取底部加勁環(huán)上的路徑以獲得該部位鋼筋的應(yīng)力,該處沿應(yīng)力路徑上的應(yīng)力分布見圖7。其中橫坐標(biāo)為長(zhǎng)度（m）,縱坐標(biāo)為應(yīng)力（Pa）。

圖7 沿路徑上的應(yīng)力分布圖

按最大拉應(yīng)力為3456.909×103Pa 計(jì)算,拉筋承擔(dān)的應(yīng)力為59.0 MPa,遠(yuǎn)小于鋼筋的抗拉強(qiáng)度420 MPa,工況2 應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。

（3）工況3 應(yīng)力分析

最大主拉應(yīng)力為16.4 MPa,發(fā)生在鋼襯四角與加筋環(huán)焊接部位外壁,最大主壓應(yīng)力為16.4 MPa,發(fā)生在鋼襯四角與加筋環(huán)焊接部位內(nèi)壁。最大主拉、壓應(yīng)力小于鋼板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,故不存在強(qiáng)度破壞問題。

綜合各工況應(yīng)力分析,鋼襯的應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)語(yǔ)

混凝土壩壩身長(zhǎng)有壓泄水孔內(nèi)設(shè)置鋼襯,以保護(hù)孔壁結(jié)構(gòu),防止孔壁沖刷破壞；結(jié)合實(shí)際工程案例,通過詳細(xì)分析長(zhǎng)有壓泄水孔內(nèi)鋼襯結(jié)構(gòu)自施工至運(yùn)行全階段的控制工況,針對(duì)性地開展長(zhǎng)有壓泄水孔內(nèi)鋼襯結(jié)構(gòu)有限元仿真分析,解決了鋼襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算的難題,根據(jù)計(jì)算,鋼襯結(jié)構(gòu)在各工況下的應(yīng)力均滿足強(qiáng)度要求；文中長(zhǎng)有壓泄水孔內(nèi)鋼襯結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析方法,可為國(guó)內(nèi)外類似工程提供參考依據(jù)。