泄洪洞岸塔式進口結構有限元分析及配筋探討

李 藝

（中國電建集團城市規劃設計研究院有限公司，廣東 廣州 511466）

1 結構簡介

岸塔式進水口［1］為背靠岸坡布置，閘門設在塔形結構中，可兼作岸坡支擋結構的進水口。相對于引水隧洞的進水口，泄洪洞的進水口有流速大、受力情況復雜等特點。

某工程泄洪（放空）洞布置在左岸山體內，泄洪（放空）洞進口布置在溢洪道與大廠房進水口之間。泄洪（放空）洞進口采用岸塔式結構，塔基置于弱風化、弱卸荷花崗巖巖體上，局部強卸荷。塔體尺寸25.0 m×22.0 m×66.5 m（長×寬×高），塔體內設平板檢修閘門一道。塔體兩側采用混凝土回填至一定高程，以加強塔體結構的整體性，增強塔體整體的抗震能力。

泄洪洞進水口邊坡由堅硬的斜長花崗巖構成，總體較破碎，呈塊裂～碎裂結構，邊坡整體基本穩定，但淺表層巖體松動，卸荷強烈，穩定性差，存在小規模崩塌、滑移拉裂破壞型式。塔體結構及剖面形式見圖1～3。

圖1 塔體結構形式（單位：cm）

圖2 塔體剖面一（單位：cm）

圖3 塔體剖面二（單位：cm）

2 結構有限元計算分析

2.1 計算模型

2.1.1 模型及邊界條件

選取整個進水塔作為計算模型［2］，計算模型的邊界條件由以下幾部分組成。

塔體部分。下部邊界取至底板下表面；上部邊界取至進水塔體頂部，計算中塔體模擬的總高度為66.5 m。

地基部分。向上游延長100 m，向下游延長約70 m；模型左右側各向外取30 m；截斷地基的總高度206.5 m。

約束條件。模型的約束條件為：在截斷的巖體的四周邊界施加法向約束、基礎底部邊界施加全約束。

塔體、地基及回填混凝土部分采用實體單元solid45模擬。模型共分為61 795個節點，55 524個單元。計算模型見圖4～5。

圖4 結構整體模型

圖5 塔體離散模型（取一半）

2.1.2 計算參數

混凝土結構的強度等級均為C25。結構四周圍巖按地質剖面圖大致可劃分為Ⅲ2、Ⅳ和V類。具體計算參數見表1。

表1 材料參數

工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，結構按50年超越概率10%的地震水平加速度0.220 g進行設計。

2.2 計算工況及荷載

計算工況及荷載［3］組合見表2，計算計入的主要荷載有自重、靜水壓力、動水壓力、揚壓力、地震力［4］、溫度應力等。

表2 計算工況及荷載組合

2.3 計算成果

2.3.1 位 移

Ux表示順水流向位移、Uy表示垂直水流向位移、Uz表示豎向位移。順水流向位移中正值表示順水流向，負值表示逆水流向；垂直水流向位移中正值表示與規定Y軸正向相同（指向左岸），負值表示與規定Y軸正向相反（指向右岸）；豎直向位移中正值表示豎直向上，負值表示豎直向下。

（1）順水流向位移Ux。各計算工況下，結構順水流水平向位移Ux峰值見表3。

表3 結構順水流水平向位移Ux峰值 單位：mm

（2）橫水流向位移Uy。各計算工況下，結構橫水流水平向位移Uy峰值見表4。

表4 結構橫水流水平向位移Uy峰值 單位：mm

（3）豎向位移Uz。各計算工況下，結構豎向位移Uz峰值見表5。

表5 結構豎向位移Uz峰值 單位：mm

綜上所述，從位移成果來看，塔體的位移場分布規律基本一致：綜合位移的最大值均出現在塔頂上游側角點處，結構綜合位移表現出順水流方向遞減和沿高程遞增的趨勢。在完建+溫降工況下，塔體的豎直方向位移最大，達到-13.371 mm。這主要是由于結構自重和混凝土溫降收縮造成的。各工況下，塔體結構順水流和垂直水流向的位移均不大，綜合位移表現為以豎直方向的位移為主，結構的各向變形均不大，說明結構具有足夠的剛度。各工況下塔體結構各向位移的最大值見表6。

表6 各工況位移極值匯總 單位：mm

2.3.2 應 力

混凝土應力計算成果大部分整理為整體直角坐標系下的應力分量，且約定拉應力為正值，壓應力為負值，應力單位為MPa。σx為順水流水平X向正應力，σy為橫水流向Y向正應力，σz為豎直Z向正應力，σ1為第一主應力。

（1）底板應力。各計算工況下，結構底板應力峰值見表7。

表7 結構底板應力峰值 單位：MPa

（2）流道結構應力。各計算工況下，流道結構應力峰值見表8。

表8 流道結構應力峰值 單位：MPa

（3）閘門槽應力。各計算工況下，閘門槽應力峰值見表9。

表9 閘門槽應力峰值 單位：MPa

（4）胸墻應力。各計算工況下，胸墻應力峰值見表10。

（5）通氣孔應力。各計算工況下，通氣孔應力峰值見表11。

表11 通氣孔應力峰值 單位：MPa

綜上所述。在各工況下，塔體的應力場符合一般規律。施工完建+溫降工況下，各部位出現較大拉應力。在溫降工況下，由于混凝土材料與基巖材料的熱膨脹系數的差異，塔體底板后部與塔背圍巖交接處以及塔體結構內部邊角點出現了較大的表層張拉應力，需關注塔體關鍵部位在溫度作用下的應力變化。

通過以上應力計算成果可以看出：結構應力總體較??；溫降工況下局部應力較大，但分布范圍較小，應力梯度大。絕大部分拉應力均未超過混凝土結構抗拉強度設計值（見表12）。

表12 關鍵結構各工況第一主應力σ1值 單位：MPa

3 結構配筋計算

3.1 計算參數

（1）結構重要性系數γ0：按2級水工建筑物級別，取1.0；

（2）設計狀況系數ψ：對應于持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，分別取1.0、0.95及0.85；

（3）鋼筋混凝土結構系數γd：1.20；

3.2 結構配筋計算

3.2.1 底板結構

在完建+溫降工況下，底板結構見圖6～9。

圖6 完建+溫降工況底板頂層順水流向正應力σx

圖7 完建+溫降工況底板底層順水流向正應力σx

圖8 完建+溫降工況底板頂層橫水流向正應力σy

圖9 完建+溫降工況底板底層橫水流向正應力σy

根據計算結果可以看出，底板結構在完建+溫降工況下拉應力較大。

底板頂層順水流向單寬配筋計算：

AS=（0.567+0.428）*1.67/2*1.0（結構重要性系數）*1.2（結構系數）*0.95（設計狀況系數）/360*106=2 630.95 mm2。

底板底層順水流向單寬配筋計算：

AS=（1.30+0.480）*1.67/2*1.0（結構重要性系數）*1.2（結構系數）*0.95（設計狀況系數）/360*106=4 706.62 mm2。

底板頂層橫水流向單寬配筋計算：

AS=（1.37+0.605）*1.67/2*1.0（結構重要性系數）*1.2（結構系數）*0.95（設計狀況系數）/360*106=5 222.23 mm2。

底板底層橫水流向單寬配筋計算：

AS=（1.86+0.175）*1.67/2*1.0（結構重要性系數）*1.2（結構系數）*0.95（設計狀況系數）/360*106=5 380.88mm2。

3.2.2 閘門槽結構

在正常蓄水位擋水+地震工況下，閘門槽結構見圖10～13。

圖10 正常蓄水位擋水+地震工況閘門槽順水流向正應力σx（整體分布）

圖11 正常蓄水位擋水+地震工況閘門槽順水流向正應力σx（局部分布）

圖12 正常蓄水位擋水+地震工況閘門槽橫水流向正應力σy（整體分布）

圖13 正常蓄水位擋水+地震工況閘門槽橫水流向正應力σy（局部分布）

根據計算結果可以看出，閘門槽結構在正常蓄水位擋水+地震工況下拉應力較大。

閘門槽順水流向配筋計算：

AS=0.852*1/2*1.0（結構重要性系數）*1.2（結構系數）*0.85（設計狀況系數）/360*106=1 207 mm2。

閘門槽橫水流向配筋計算：

AS=1.28*0.6/2*1.0（結構重要性系數）*1.2（結構系數）*0.85（設計狀況系數）/360*106=1 088 mm2。

3.2.3 通氣孔結構

在完建+溫降工況下，通氣孔結構如圖14～15所示。

圖14 完建+溫降工況通氣孔順水流向正應力σx

圖15 完建+溫降工況通氣孔橫水流向正應力σy

根據計算結果可以看出，通氣孔結構在完建+溫降工況下拉應力較大。

通氣孔順水流向配筋計算：

AS=（0.612+0.151）*1.2/2*1.0（結構重要性系數）*1.2（結構系數）*0.95（設計狀況系數）/360*106=1 449.7 mm2。

通氣孔橫水流向配筋計算：

AS=（2.14+1.55）*1/2*1.0（結構重要性系數）*1.2（結構系數）*0.95（設計狀況系數）/360*106=5 842.5 mm2。

3.2.4 塔背混凝土

在完建+溫降工況下，塔背混凝土結構見圖16。

圖16 完建+溫降工況塔背混凝土橫水流向正應力σy

從計算結果看，塔背混凝土在完建+溫降工況下橫水流向拉應力較大。

塔背混凝土橫水流向配筋計算：

AS=（1.51+1.36）*1/2*1.0（結構重要性系數）*1.2（結構系數）*0.95（設計狀況系數）/360*106=4 544.17 mm2。

3.2.5 邊墻混凝土

在正常蓄水位擋水+地震工況下，邊墻混凝土結構見圖17。

圖17 正常蓄水位擋水+地震工況邊墻混凝土順水流向正應力σy

從計算結果看，邊墻混凝土在正常蓄水位擋水+地震工況下順水流向拉應力較大。

邊墻混凝土橫水流向配筋計算：

AS=（0.892+0.281）*1/2*1.0（結構重要性系數）*1.2（結構系數）*0.85（設計狀況系數）/360*106=1 661.75 mm2。

3.3 配筋計算結果

根據以上計算的各部位應力分布及配筋情況，整理出結構各部位建議配筋值，配筋［5］匯總見表13。

表13 配筋計算結果

4 結 論

岸塔式進水口結構由流道、胸墻、閘門、通氣孔等復雜結構組成，因為背靠山體，其垂直高度較大，整體結構及受力情況較為復雜。采用三維有限元建模能夠較好地模擬進水口及周圍山體結構，并能通過三維有限元方法計算不同工況下結構的應力、應變情況。

通過對岸塔式進水口的有限元計算分析，結構整體位移、應力均較小，符合一般規律。結構在溫降工況下，部分關鍵部位出現較大的拉應力，應加強這些部位的配筋。