矩形導(dǎo)流底孔孔口結(jié)構(gòu)型式分析研究

楊靜安,春光魁

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安　710065)

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矩形導(dǎo)流底孔孔口結(jié)構(gòu)型式分析研究

楊靜安,春光魁

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安710065)

導(dǎo)流底孔廣泛應(yīng)用于混凝土壩中，大壩上開口對壩體局部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，如何保證導(dǎo)流底孔的結(jié)構(gòu)安全運行，是導(dǎo)流底孔設(shè)計需考慮的重要因素。文章對矩形孔口跨中與跨縫2種結(jié)構(gòu)布置型式展開研究，對其受力狀態(tài)、變形特性、配筋方式進(jìn)行了計算和分析，得到了2種結(jié)構(gòu)型式的顯著差異，為今后導(dǎo)流底孔的設(shè)計提供了有價值的參考。

導(dǎo)流底孔；矩形孔口；主應(yīng)力；配筋

為了充分利用混凝土大壩的特性和功能[1]，為實現(xiàn)大壩施工期導(dǎo)流及后期生態(tài)放水，一般都在壩體內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流底孔來實現(xiàn)，有些導(dǎo)流底孔孔口不僅尺寸較大，還要承受靜水壓力、高速水流、壩體自重等作用。導(dǎo)流底孔布置有跨中布置和跨縫布置2種結(jié)構(gòu)型式，其受力特性決定了結(jié)構(gòu)配筋重點不同[2]。由于孔口周邊屬于大體積混凝土，簡化成桿件結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計算，再根據(jù)內(nèi)力進(jìn)行配筋方案與實際相差較大，不符合結(jié)構(gòu)實際受力特點。因此，采用彈性力學(xué)方法得到主拉應(yīng)力的圖形面積，根據(jù)總拉力計算配筋數(shù)量的方法更切合實際。本文采用線性有限元方法對導(dǎo)流底孔2種布置方案進(jìn)行計算分析對比[3]，得到了孔口受力特點和變形特征，為導(dǎo)流底孔孔口結(jié)構(gòu)布置型式提供建議和參考。

1　前提條件

以某工程溢流壩導(dǎo)流底孔為例[4]，導(dǎo)流底孔高10 m、寬8 m，孔中線至壩頂高度125 m，孔中心至壩基高度25 m，孔口過流時最大水頭為85 m，單壩段總高150 m，寬度為20 m，孔口采用跨中與跨縫2種布置型式，見圖1。孔口周圍混凝土強(qiáng)度等級采用C25，其彈性模量EC=28 000 N/mm2，容重r=25 kN/m3。

2　有限元模型

(1) 計算簡化

取孔口上部壩體范圍10 m，下部壩體范圍10 m，研究壩段兩側(cè)按自由邊界、底部按全約束考慮，孔口上部壩體自重等效為面力[5]。

圖1　導(dǎo)流底孔布置型式圖　　單位：m

(2) 計算模型

跨中模型節(jié)點總數(shù)為70 506，單元64 000個，以孔口底板中心為原點，水平向右為X正向，豎直向上為Y正向，Z向符合右手法則[6]。

跨縫模型節(jié)點總數(shù)為67 580，單元56 042個，以孔口底板左側(cè)為原點，水平向右為X正向，豎直向上為Y正向，Z向符合右手法則?？缰信c跨縫2種結(jié)構(gòu)計算網(wǎng)格見圖2。

圖2　計算網(wǎng)格圖

(3) 計算工況

考慮施工期和正常運行期2種工況[7]。

施工期工況：自重；

運行期工況：自重+內(nèi)水壓力。

3　計算結(jié)果分析

3.1應(yīng)力及變形分析

(1) 跨中布置

施工期，孔口在壩體自重作用下，從主拉應(yīng)力分布圖(圖3)上看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在孔口頂板中部，最大值為4.145 MPa，拉應(yīng)力延伸深度為3.0 m，豎直向下變形為3.89 mm。頂板兩側(cè)角部拉應(yīng)力分布區(qū)域較大，最大數(shù)值為2.732 MPa，拉應(yīng)力沿著45°方向延伸深度為5.5 m。底板中部最大拉應(yīng)力為2.716 MPa，豎直向下變形為0.37 mm；底板兩側(cè)角部最大拉應(yīng)力數(shù)值為0.193 MPa，但角部外側(cè)拉應(yīng)力區(qū)范圍較大，拉應(yīng)力平均數(shù)值為1.021 MPa。

運行期，孔口在壩體自重和內(nèi)水壓力同時作用下，從主拉應(yīng)力分布圖(圖3)上看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底孔頂板中部，最大值為4.304 MPa，拉應(yīng)力延伸深度為3.5 m，豎直向下變形為4.87 mm。頂板兩側(cè)角部拉應(yīng)力分布區(qū)域較大，最大數(shù)值為2.383 MPa，拉應(yīng)力沿著45°方向延伸深度為5.9 m?？卓诘装逯胁孔畲罄瓚?yīng)力為3.393 MPa，豎直向下變形為0.477 mm；底板兩側(cè)角部最大拉應(yīng)力數(shù)值為0.249 MPa。

從施工期與運行期主拉應(yīng)力數(shù)值及分布來看，運行期由于受到孔口內(nèi)部水壓力的作用，結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力、壓應(yīng)力最大值及拉應(yīng)力分布區(qū)都有一定程度的增大，控制工況為運行期，本算例主要由于孔口上部壩體較高，運行期內(nèi)水作用下，孔口整體向外變形，底部及邊墻比頂板的變形幅度大，導(dǎo)致頂板向下變形，拉應(yīng)力進(jìn)一步增大；隨著壩體高度及內(nèi)水壓力的變化，控制工況可能為施工期[8]。

(2) 跨縫布置

施工期，孔口周圍的主拉應(yīng)力不大，頂部拉應(yīng)力數(shù)值在0.2 MPa，左側(cè)邊墻應(yīng)力控制在0.02 MPa，底板應(yīng)力控制在0.61 MPa。但孔口上部壩體出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，最大數(shù)值為3.91 MPa，拉應(yīng)力區(qū)分布高度約6 m；在壩段左側(cè)邊緣也出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力集中區(qū)，最大數(shù)值3.641 MPa，水平向分布寬度3.0 m，這2個拉應(yīng)力集中區(qū)都需通過配置鋼筋來解決。主壓應(yīng)力主要分布于孔口角部，最大壓應(yīng)力-21.007 MPa，需設(shè)置倒角或配置局部加強(qiáng)鋼筋來解決?？卓陧敳坑覀?cè)邊緣豎向變形較大，豎向位移為17.977mm；孔口頂左側(cè)板角部豎向變形為7.324 mm。

圖3　主拉應(yīng)力圖　　單位：MPa

運行期，孔口周圍的主拉應(yīng)力不大，頂部拉應(yīng)力數(shù)值在0.08 MPa，左側(cè)邊墻應(yīng)力控制在0.05 MPa，底板應(yīng)力控制在0.65 MPa?？卓谏喜繅误w拉應(yīng)力大數(shù)值為2.628 MPa，拉應(yīng)力區(qū)分布高度約5.5 m；壩段左側(cè)邊緣拉應(yīng)力最大數(shù)值1.434 MPa，水平向分布寬度2.0 m。主壓應(yīng)力主要分布于孔口角部，最大壓應(yīng)力-15.541 MPa?？卓陧敳坑覀?cè)豎向位移為11.04 mm；孔口頂板左側(cè)角部豎向變形為4.918 mm。

從施工期與運行期主拉應(yīng)力數(shù)值及分布來看，運行期由于受到孔口內(nèi)部水壓力的作用，結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力、壓應(yīng)力最大值及拉應(yīng)力分布區(qū)都有一定程度的減小，控制工況為施工期[9]。

(3) 布置型式比較

通過對跨中布置與跨縫布置2種結(jié)構(gòu)型式的計算分析結(jié)果來看，跨中布置孔口頂部及底板拉應(yīng)力區(qū)分布范圍較大，且拉應(yīng)力數(shù)值也較大，需通過配置鋼筋來解決；跨縫布置孔口周圍拉應(yīng)力分區(qū)及拉應(yīng)力數(shù)值均較小，僅配置構(gòu)造鋼筋即可，但壩體上部及左側(cè)出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)，但數(shù)值與范圍均比跨中布置型式的控制工況小。從孔口2種布置方案比較來看，建議采用跨縫布置方案，可有效解決孔口周圍拉應(yīng)力問題，但需在孔口上部壩體及側(cè)面配置受拉鋼筋。

3.2配筋計算

(1) 配筋方法

按照DL/T 5057-2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定[10]，當(dāng)結(jié)構(gòu)截面在配筋方向的正應(yīng)力圖形偏離線性較大時，受拉鋼筋截面面積AS應(yīng)采用下列公式計算。

式中：T為由荷載設(shè)計值確定的彈性總拉應(yīng)力；Tc為混凝土承擔(dān)的拉應(yīng)力；fy和As分別為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值和截面面積;rd為結(jié)構(gòu)系數(shù)(取1.2)?；炷梁弯摻顝?qiáng)度值均取設(shè)計值，這其中就包含了一定的安全系數(shù)，而且混凝土的設(shè)計值又折減了0.6的安全系數(shù)，最后混凝土與鋼筋又除以1.2的結(jié)構(gòu)系數(shù)，按照這種方法進(jìn)行配筋設(shè)計，配筋量往往偏大。

(2) 配筋計算

針對孔口混凝土結(jié)構(gòu)受力特性，取了7個關(guān)鍵截面(圖4)進(jìn)行配筋計算，計算結(jié)果見表1。

表1　孔口周圍計算配筋表　/mm2

從跨中結(jié)構(gòu)形式方案施工期和運行期2種工況計算配筋結(jié)果來看，7個關(guān)鍵截面的配筋，運行期均比施工期鋼筋計算面積大，配筋直徑與根數(shù)多。從跨縫結(jié)構(gòu)形式2個工況計算結(jié)果來看，2種工況孔口周圍主拉應(yīng)力數(shù)值及大小變化不大，均按照構(gòu)造配筋即可，但所計算模型頂部與左側(cè)需配置受拉鋼筋。具體配筋方案見表2。

圖4　關(guān)鍵截面及配筋方案圖

表2　跨縫布置方案主筋配置表

從跨縫布置方案施工期與運行期2個工況主筋配置結(jié)果來看，施工期比運行期都大，內(nèi)水壓力的作用抵消了一部分自重作用，對結(jié)構(gòu)受力有利，控制工況為施工期。因此，當(dāng)導(dǎo)流底孔采用跨縫結(jié)構(gòu)形式時，雖然孔口周圍可按照構(gòu)造配置鋼筋，但由于孔口變形，導(dǎo)致了頂部及側(cè)面壩體變形產(chǎn)生了拉應(yīng)力區(qū)，必須對此部位進(jìn)行配筋，避免產(chǎn)生豎向與橫向裂縫，對混凝土壩的安全運行產(chǎn)生不利影響。

4　結(jié)　語

(1) 導(dǎo)流底孔采用跨中結(jié)構(gòu)形式，運行期與施工期孔口周圍混凝土主拉應(yīng)力數(shù)值與分布區(qū)范圍都大；根據(jù)壩體高度與內(nèi)水壓力綜合判斷控制工況；

(2) 導(dǎo)流底孔采用跨縫結(jié)構(gòu)形式，施工期比運行期的主拉應(yīng)力數(shù)值與分布區(qū)范圍都大，因此，施工期是跨中布置方案的控制工況；

(3) 導(dǎo)流底孔采用跨縫結(jié)構(gòu)形式，孔口主拉應(yīng)力數(shù)值較小，拉應(yīng)力區(qū)分布范圍小，當(dāng)壩體上布置較大的孔口時，建議采用；

(4) 導(dǎo)流底孔跨中布置方案的主筋配置在孔口周圍，頂板主筋配置較多、底板次之、邊墻最少；跨縫布置方案孔口按照構(gòu)造配置鋼筋即可，但需在孔口頂部與側(cè)面壩體混凝土進(jìn)行計算，配置受拉鋼筋。

[1]陳進(jìn),黃薇,丁茜.大壩矩形孔口應(yīng)力狀態(tài)分析[J].水力發(fā)電,2000(12):21-24.

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[3]傅丹,伍鶴皋,蘇凱.碾壓混凝土重力壩導(dǎo)流底孔有限元分析[J].水電能源科學(xué),2011(09):85-88.

[4]呂琦,雷艷等.功果橋電站大壩底孔設(shè)計[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2014(11):116-118.

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[7]尹華安.三峽水利樞紐導(dǎo)流底孔研究[J].人民珠江,2014(09):01-05.

[8]李艷.水工結(jié)構(gòu)工程[D].南京：河海大學(xué),2007(06):45-68.

[9]李曉榮.某水電站泄洪底孔開裂狀況的研究[J].山西建筑,2008(26):102-104.

[10]中華人民共和國國家能源局.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范:DL/T5057-2009[S].北京：中國電力出版社，2009.

Analysis and Study on Orifice Structural Form of Rectangular Bottom Diversion Outlet

YANG Jin'an, CHUN Guangkui

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

The bottom diversion outlet is widely applied in concrete dam. But opening in the dam results in unfavorable impacts on local dam structure. How to secure the safety operation of the structure of the bottom diversion outlet is one of important factors for the design of the bottom diversion outlet. In the paper, two structural layout forms of the rectangular orifice in middle and crossing joint respectively are studied. Calculation and analysis on their action status, deformation characteristics and reinforcement arrangement are performed. The outstanding difference of two structures are derived. The study provides design of the bottom diversion outlet with valuable reference. Key words:bottom diversion outlet; rectangular orifice; primary stress; reinforcement arrangement

1006—2610(2016)04—0044—04

2016-05-05

楊靜安(1979- )，男，河南省鶴壁市，高級工程師，從事施工組織設(shè)計工作.

TV551.3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.011