水布垭溢洪道泄槽鼻坎有限元分析

夏传星,花俊杰,黄 元

(长江勘测规划设计研究院,湖北武汉 430010)

水布垭溢洪道泄槽鼻坎有限元分析

夏传星,花俊杰,黄 元

(长江勘测规划设计研究院,湖北武汉 430010)

水布垭溢洪道泄量巨大、泄洪水头高,泄槽鼻坎受力非常复杂,按常规材料力学法计算的钢筋无法布置。采用ANSYS软件对鼻坎进行三维有限元分析,重点研究鼻坎在不同结构措施下的应力变形情况,提出了侧墙和底板的配筋原则,可为同类工程提供参考。

水布垭;溢洪道泄槽;鼻坎;三维有限元法;灌浆

1 工程概况

水布垭水电站位于湖北省巴东县境内的清江中游河段,是一座以发电和防洪为主、兼有其它综合效益的大Ⅰ型水利工程。枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、左岸溢洪道、右岸地下厂房和放空洞等组成。

泄洪建筑物为河岸式溢洪道,采用窄缝式消能工、阶梯式出口布置型式。经多年研究,5条泄槽鼻坎采用阶梯式布置以及5#鼻坎采用右偏布置方式,基本上可以解决水布垭工程软弱地质条件下的消能防冲和电站尾水防淤积等问题[1]。

溢洪道泄量大(万年一遇最大下泄流量18 280 m3/s)、水头高,泄槽鼻坎承受水压力很大[2],采用常规材料力学方法计算侧墙和底板所需钢筋量很大,难以布置。本文以3#泄槽鼻坎为例,采用大型有限元分析通用软件ANSYS研究鼻坎原设计体型及不同结构措施下的应力变形情况,为侧墙和底板的配筋提供计算依据。

2 计算条件

2.1 计算模型

3#泄槽鼻坎结构见图1,鼻坎周边设置了伸缩缝,为独立结构,分析时不考虑鼻坎与周边结构之间的相互作用,计算范围取3#鼻坎及地基。

采用空间八结点六面体单元离散计算域[3],建立的三维有限元模型见图2,单元总数为37 199,结点总数为41663。计算坐标以垂直水流方向为X轴轴向,指向左岸为正,竖直方向为Y轴轴向,竖直向上为正,顺水流方向为Z轴轴向,指向下游为正。地基的前后、左右边界及底部均取法向约束[4]。

2.2 作用及其组合

根据《清江水布垭水利枢纽泄洪消能专题报告审查意见》中的溢洪道设计标准,挑流鼻坎按一级建筑物设计,设计洪水标准为千年一遇,校核洪水标准为万年一遇。

图1 溢洪道3#泄槽鼻坎结构图

图2 3#泄槽鼻坎三维有限元模型

本文计算荷载考虑自重、侧墙和底板承受的时均压力和脉动应力。

鼻坎三维有限元分析考虑了四种作用效应组合:①万年一遇校核洪水(泄量18 280 m3/s);②千年一遇设计洪水(泄量16 230 m3/s);③五百年一遇洪水(泄量14 810 m3/s);④百年一遇洪水(泄量11 490 m3/s)。

2.3 力学参数

参照溢洪道泄槽段混凝土强度等级分区图和地质剖面图,模拟鼻坎混凝土和地基岩层,计算参数取值见表1[5]。

2.4 配筋计算方法

根据《水工混凝土结构设计规范》[6](DL/T 5057-1996),当由力学计算得出结构在弹性阶段的截面应力图形,并按弹性受拉应力图形配置钢筋时,配筋原则为:总拉力T由混凝土承担的拉力及钢筋承担的拉力共同承担。

表1 混凝土及岩体物理力学参数表

ANSYS计算中,根据有限元应力结果,在应力最大值处沿垂直配筋方向设置应力路径[7],将拉应力映射到应力路径上,积分求出混凝土和钢筋承担的拉力,按规范公式计算受力钢筋。

3 计算结果

文中正应力以拉为正,以压为负;竖直位移以向上为正,顺水流位移以指向下游为正,垂直水流位移以指向左岸为正。图中应力单位为Pa。

3.1 原设计体型结果分析

鼻坎侧墙底部网格尺寸很小,底板与侧墙交接部位为应力突变区,有限元应力集中现象严重,故结点应力值较大。校核工况下,垂直水流向拉应力最大值出现在鼻坎底板出口部位,竖向和顺水流向拉应力最大值出现在侧墙底部,鼻坎的应力示意见图3～图4。其余工况的鼻坎应力变形规律和万年一遇工况基本一致,只是各最大值有不同程度的减少,各工况计算结果见表2。

表2 鼻坎应力位移最大值表

根据应力图形,在侧墙和底板设置多条应力路径,按2.4节方法计算钢筋截面积。万年一遇校核工况下,单宽1 m范围内侧墙所需最大钢筋截面积为41 016mm2,底板为36 339 mm2。设计工况侧墙所需钢筋截面积比校核工况约减少15%～22%,底板约减少7%～15%。百年一遇工况的配筋量较小,按构造配筋即可。

图3 桩号0+249.5剖面垂直水流向拉应力图

图4 桩号0+249.5剖面竖直向拉应力图

由计算可知,校核工况下,鼻坎的侧墙和底板承受的拉力很大,计算所需钢筋截面积较大,钢筋不便布置,需要采取结构措施降低拉应力。

3.2 修改体型结果分析

为降低鼻坎拉应力,尝试对原设计体型进行适当修改,在侧墙进口顶部设置盖板,盖板长度分别取10 m 、15 m 、17 m,厚度取 1 m 、2 m 、3 m 。计算结果表明,在鼻坎进口顶部设置盖板可以有效地减少侧墙内侧竖向拉应力,底板垂直水流向拉应力也有所改善。随盖板长度增加,侧墙拉应力改善越明显;随盖板厚度增加,盖板拉应力变小,侧墙外侧拉应力范围和最值都有所增加。对比不同盖板下鼻坎的应力变形,盖板长度15 m、厚度2 m时鼻坎的应力较优,结果见表3,校核工况应力示意见图5～图6。

侧墙进口顶部加设一长15 m、厚2 m的盖板后,万年一遇校核工况下,侧墙内侧受拉钢筋的截面积大幅度减少,单宽1 m范围内侧墙所需最大钢筋截面积为12 757mm2,底板为26 094 mm2。和原设计体型相比,分别减少69%和28%。但侧墙外侧拉应力区也需配置钢筋,最大截面积为11 755 mm2。

表3 修改体型鼻坎应力位移最大值表

图5 桩号0+230.5剖面垂直水流向拉应力图

图6 桩号0+230.5剖面竖直向拉应力图

3.3 预应力结果分析

由于侧墙底板拉应力较大,尝试采取预应力效果。一是只在底板上加2 000 kN预应力钢筋,二是在底板和右侧墙上加8 000 kN预应力钢筋。

和原设计相比,只在底板上施加2 000 kN预应力钢筋时,底板拉应力有所改善,所需钢筋截面积约减少12%,侧墙拉应力基本没有改变。

底板和右侧墙施加8 000 kN预应力钢筋时,侧墙和底板拉应力最值和分布范围都有很大幅度减少,各断面配筋面积约减少50%左右。单宽范围内侧墙所需最大钢筋截面积为24 475 mm2,底板为24 056 mm2。

3.4 结构缝灌浆后结果分析

在侧墙进口设置盖板以及采用预应力钢筋措施施工难度较大,经研究决定,将1#～5#泄槽鼻坎之间的结构缝进行灌浆,使边墙成为一个整体,同时在右侧墙外侧出口部位加一三角形块混凝土,底宽6 m,高度为10 m。

考虑结构缝灌浆措施,计算模型取2#泄槽一半、3#泄槽和4#泄槽一半进行分析,分别在桩号0+221.5(出口 29 m)、0+225.5(出口 25 m)、0+230.5(出口 2 0m)、0+240.5(出口 10 m)、0+245.5(出口5 m)位置取剖面进行平面有限元分析,左右及底部地基边界均取法向约束。

本文限于篇幅,仅给出桩号0+240.5(出口10 m)的模型图及应力示意图,见图7～图9。由于桩号0+220.5～0+230.5之间,4#泄槽鼻坎左侧墙承受水压力远大于3#泄槽鼻坎右侧墙,故3#泄槽鼻坎右侧墙的竖向应力全部为压。

根据应力图形计算的钢筋截面积见表4～表5,最终确定配筋原则为:侧墙内侧竖向受力钢筋布置多排,钢筋在不同高程截断。底板受力钢筋在进口15 m布置两排,其余布置三排。

图7 鼻坎二维有限元模型图(出口10 m)

图8 鼻坎垂直水流向拉应力图(出口10 m)

结构缝不灌浆时,在五百年一遇洪水工况下,各剖面鼻坎计算所需的钢筋面积见表7,采用的钢筋布置可以满足要求。

图9 鼻坎竖直向拉应力图(出口10 m)

表4 鼻坎左侧墙钢筋计算表 单位:mm2

表5 鼻坎右侧墙钢筋计算表 单位:mm2

表6 鼻坎底板钢筋计算表 单位:mm2

表7 鼻坎钢筋计算表 单位:mm2

4 结 论

(1)水布垭溢洪道泄槽鼻坎配筋受校核工况(万年一遇)控制,原设计体型(即不采取特别结构措施时)校核工况下侧墙、底板按常规配筋难以满足配筋要求。

(2)在侧墙进口设置盖板或采取预应力钢筋后配筋仍难满足要求,且施工难度较大,不推荐采用此两种措施。

(3)推荐采用将相邻鼻坎之间的结构缝灌浆,及在有条件部位(右侧墙离出口约10m范围内外侧)布置支撑结构的措施。采用此结构措施后,鼻坎的侧墙、底板仍有拉应力区,通过配置受力配筋可以解决。

(4)按本文配筋原则配置受力钢筋后,鼻坎下泄五百年一遇洪水时,不计结构缝灌浆的影响,配筋仍能满足要求,满足安全标准。

[1]廖仁强,向光红.水布垭水利枢纽岸边溢洪道设计[J].人民长江,2007,38(7):26-27,73.

[2]杨启贵,廖仁强,陈代华,等.水布垭水利枢纽设计创新与实践[J].人民长江,2007,38(7):16-18.

[3]王勖成,邵 敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京:清华大学出版社,1997.

[4]王宏硕,翁情达.水工建筑物(专题部分)[M].北京:水利电力出版社,1999:149-150.

[5]长江勘测规划设计研究院.湖北清江水布垭水利枢纽可行性研究报告第三篇[R].武汉:长江勘测规划设计研究院,1998.

[6]电力工业部华东勘测设计研究院.DL/T 5057-1996.水工混凝土结构设计规范[S].北京:中国电力出版社,1996:105.

[7]李 围.ANSYS土木工程应用实例(第2版)[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

FEM Analysis on Spillway Chute's Bucket Lip of Shuibuya Project

XIA Chuan-xing,HUA Jun-jie,HUANG Yuan
(Changjiang Investigation and Planning Design Institute,Wuhan,Hubei430010,China)

The spillway of Shuibuya project is of big flood discharge capacity and high head,consequently,the stress state of the bucket lip is very complex under high water pressure,and it is difficult to arrange the reinforcement in the bucket lip because of large reinforcement quantity calculated by conventional mechanical method.The three-dimensional finite element analyses focusing on the stress and deformation of the bucket lip with different structural measures are performed here by ANSYS.Based on the finite element analysis,the reinforcing principle of the side wall and bottom plate is proposed.The research may provide a reference for similar projects.

Shuibuya project;spillway chute;bucket lip;3-D FEM;grouting

TV651.1

A

1672—1144(2012)05—0172—05

2012-03-22

2012-05-02

夏传星(1978—),女(汉族),河南邓州人,工程师,主要从事水工结构设计工作。