某水電站工程預應力閘墩三維有限元分析

許戰(zhàn)軍

1 工程概況

某水電站位于老撾西北部，距離首都萬象約90 km。，壩址以上流域面積5050 km2，多年平均降雨量2494 mm，多年平均流量198.40 m3/s，多年平均最大風速26.9 m/s。該電站為河床式電站，樞紐建筑物從左岸到右岸依次為：門庫壩段、4孔泄洪閘、發(fā)電廠房及室外開關(guān)站。擋水建筑物按10000年一遇洪水設計，相應泄水建筑物最大下泄流量為9150 m3/s。門庫壩段位于左岸，用于存放泄洪閘及廠房的檢修疊梁門。壩頂高程197.80 m，建基面高程164.50 m，最大壩高33.30 m。泄洪閘位于門庫壩段右側(cè)，為帶弧門的溢流堰，共四孔。泄洪閘下游采用消力池消能，池深1.4 m，池長45.3 m，池寬64 m。地面發(fā)電廠房位于右岸，廠房內(nèi)安裝2臺貫流式發(fā)電機組，總裝機64.72 MW（2×32.36 MW），機組安裝高程161.00 m。廠房尺寸56.18 m×27.5 m×47.67 m（長×寬×高）。

泄水閘閘頂高程197.80 m，堰頂高程177.50 m，建基面高程為164.50 m。泄水閘最大閘高33.30 m，閘室段長39.377 m，總寬度 65.5 m，設 4孔，孔口尺寸為 13 m×17.5 m（W×H）,不設縫墩。泄洪閘有2個中墩和2個邊墩，中墩厚3 m，右邊墩厚3 m，左邊墩為懸臂式擋墻，頂寬1.5 m。左邊墩左側(cè)為門庫壩段，右邊墩右側(cè)為發(fā)電廠房。

閘墩錨索布置分主錨索和次錨索。主錨索在中墩對稱布置，在閘墩立面上為扇形布置型式，在水平面上為平行布置型式。中墩主錨索設4層，外側(cè)8束，內(nèi)側(cè)4束。鋼絞線直徑為15.24 mm，單束由18根鋼絞線組成，單束鎖定噸位0.65FU=3047kN，永存噸位為2742KN，超張拉噸位3016kN?；￠T單支鉸推力15720kN，拉錨系數(shù)為2.09。中墩的水平次錨索布置于錨塊內(nèi)，次錨索分3排在垂直弧門推力方向上，每排均布置4束，共12束。次錨索的錨固端均設在錨塊的外側(cè)。鋼絞線直徑為15.24 mm，單束由12根鋼絞線組成，單束鎖定噸位0.65FU=2031kN，考慮預應力損失后的永久噸位為1828kN，超張拉噸位2102kN。

為了提高預應力錨索的預壓效果，在錨塊上游側(cè)設置預留槽，預留槽寬度為0.3 m，長度為1.0 m。

2 計算模型與邊界條件

本次計算采用大型通用有限元分析軟件ANSYS[1]，選取中墩壩段建立該水電站廠房三維有限元計算模型，混凝土材料按線彈性進行計算。整體計算模型單元剖分基本采用八結(jié)點六面體實體單元SOLID45，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸控制在0.5 m以內(nèi)，基礎網(wǎng)格尺寸控制在0.5～5.0 m，單元共計108069個，節(jié)點共計107257個。

基巖的模擬范圍為：上、下游方向由壩體上下游邊界分別向兩側(cè)延伸60 m，基巖深度方向由底部最低點向下延伸50 m。基礎底面固結(jié)，基礎四周施加法向約束，閘墩結(jié)構(gòu)與基礎間按連續(xù)單元模擬，閘墩結(jié)構(gòu)上、下游、頂部均按自由邊界。

模型整體坐標系原點設在計算模型左側(cè)壩踵處，應用的坐標系為：壩軸線方向為X軸方向，向右岸為正；水流方向為Y軸方向，向下游為正；沿高度方向為Z軸方向，向上為正，閘墩有限元模型見圖1。

圖1 閘墩有限元計算模型

3 計算工況與荷載組合

由于計算工況比較多，本文選取兩個具有代表性的典型工況（正常運行工況和檢修工況）進行計算分析[2-4]。正常運行工況下，兩側(cè)弧門擋水；檢修工況下，一側(cè)弧門正常擋水，一側(cè)檢修閘門擋水[5]。上游正常蓄水位195.00 m，下游正常尾水位173.93 m。各運行工況所考慮的荷載見表1。

表1 荷載組合表

4 計算結(jié)果分析

本文采用三維有限元法，對兩個典型工況下閘墩結(jié)構(gòu)的應力進行了計算，各工況下計算所得的閘墩關(guān)鍵部位應力值見表2和表3。

由表2可知，正常運行工況下，拉應力區(qū)都主要出現(xiàn)在錨固洞下游面、錨固洞底面、錨固洞頂面、閘墩底部等部位；壓應力區(qū)主要出現(xiàn)在錨塊上下游面、錨塊側(cè)面、錨固洞下游面以及閘墩下游面與溢流面相交處等部位，最大壓應力小于混凝土材料的抗壓強度。錨固洞頂面、下游面、底面均產(chǎn)生了較大的拉應力，錨固洞頂面X、Y、Z三個方向的最大拉應力為0.9 MPa、5.4 MPa、2.6 MPa；錨固洞下游面 X、Y、Z 三個方向的最大拉應力為 2.2 MPa、6.5 MPa、7.4 MPa；錨固洞底面 X、Y、Z 三個方向的最大拉應力為0.6 MPa、6.5 MPa、2.3 MPa，錨固洞周邊拉應力主要是由主錨索上施加的預應力所引起。中墩底部的X、Y、Z 方向的最大拉應力為 0.4 MPa、1.9 MPa、3.0 MPa。

表2 正常運行工況閘墩關(guān)鍵部位最大、最小應力（MPa）

表3 檢修工況閘墩關(guān)鍵部位最大、最小應力（MPa）

由表3可知，檢修工況下，中墩壩段拉應力區(qū)主要出現(xiàn)在錨固洞頂面、錨固洞下游面、錨固洞底面、錨塊上游面、錨塊頂面、中墩頂面（與錨塊下游面交界處）、檢修門槽底部等部位；壓應力區(qū)主要出現(xiàn)在錨固洞下游面、錨塊側(cè)面、錨塊下游面等部位，最大壓應力小于混凝土材料的抗壓強度。錨固洞頂面、下游面、底面均產(chǎn)生了較大的拉應力，錨固洞頂面X、Y、Z 應力最大值分別為 0.4 MPa、3.5 MPa、1.7 MPa，錨固洞下游面 X、Y、Z 應力最大值分別為 2.0 MPa、4.1 MPa、5.6 MPa，錨固洞底面X、Y、Z應力最大值分別為 0.4 MPa、3.9 MPa、1.6 MPa。錨固洞周邊拉應力主要是由主錨索上施加的預應力所引起。中墩底部的X、Y、Z方向的最大拉應力為0.5 MPa、1.1 MPa、3.6 MPa。檢修門擋水一側(cè)門槽出現(xiàn)較大Z向拉應力3.4 MPa，此應力是由閘墩左右側(cè)不平衡水推力所致?？涨簧嫌蚊妗⒖涨幌掠蚊娉霈F(xiàn)較大拉應力，空腔上游面X、Z向應力最大值為2.6 MPa、2.0 MPa，空腔下游面X向應力最大值為2.6 MPa，這些部位的拉應力是由主次錨索預應力及右側(cè)弧門推力所引起。

5 結(jié)論

閘墩采用預應力結(jié)構(gòu)，且在錨塊上游側(cè)設置空腔，在各計算工況下閘墩頸部未出現(xiàn)拉應力，閘墩整體受力條件較好，因此中墩采用預應力結(jié)構(gòu)錨索的布置型式、錨索噸位以及空腔布置、尺寸均是合適的。兩種運行工況下，錨固洞頂面、底面及下游面拉應力較大，錨塊空腔上、下游面均產(chǎn)生一定的拉應力，這些部位需加強配筋。

[1]譚建國.使用ANSYS6.0進行有限元分析[M].北京：北京大學出版社,2002.3.

[2]宋興君,李守義,葉林.預應力閘墩錨固形式研究[J].水力發(fā)電學報,2006,25(5):92-96.

[3]李守義,郭曉晶,董華峰,等.預應力錨固閘墩有限元分析研究[J].水資源與水工程學報,2007,18(6):35-38.

[4]李萌,李守義,程帥,等.中墩錨塊底部接觸方式和錨索優(yōu)化研究[J].水利水電技術(shù),2016,47(12):43-47.

[5]中華人民共和國行業(yè)標準.水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范SL/T191-96.中國水利水電出版社，1997.2.