某导流洞闸室门槽结构截面承载力分析

孙 斌,彭睿哲,贺智安

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

文章编号：1006—2610(2015)05—0036—03

某导流洞闸室门槽结构截面承载力分析

孙 斌,彭睿哲,贺智安

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

随着平板闸门挡水水头的增加，闸门门槽受力越来越大，但是门槽的斜截面承载力计算规范中并未给出具体的计算方法，致使工程设计缺乏依据。以某水电站导流洞闸室门槽为例，首先采用ANSYS软件对闸门门槽结构进行了应力计算，其次对门槽的局部受压及斜截面承载力进行计算，通过计算得出闸门门槽结构满足设计要求。

平板闸门；门槽；有限元法模拟；局部受压；斜截面承载力

0 前 言

随着中国水利水电事业的发展，大坝的高度也相继增加，平板闸门门槽受力也越来越大，中国电力行业标准DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》中第13.15章节规定了平面闸门门槽结构计算的要求，但是其中13.15.2条规定“闸门门槽高度每延米受载大于2 000 kN时，应对闸门门槽混凝土斜截面承载力进行复核”，但是没有提到具体的复核计算方法及公式，因此对于设计者进行门槽结构设计时无设计依据可言。本文以某水电站导流洞闸室结构为例，针对门槽结构建立三维有限元模型进行计算，并且重点对其斜截面承载力复核进行了分析计算。

1 工程概况

该水电站采用隧洞导流，导流量Q10%=3 470 m3/s。隧洞长度1 196.89 m，标准断面尺寸13 m×17 m(长×宽)，最大开挖断面尺寸23 m×23.5 m(长×宽)，其中闸室段最大开挖宽度为23.5 m。闸门采用竖井式闸门井，闸门井门槽中心线位于导流洞桩号导0+450.00 m处，闸门竖井开挖高度约50.25 m，闸室结构尺寸：长×宽×高=67.5 m×23.0 m×73.75 m，围岩类别为Ⅳ和Ⅲ2类，闸室结构尺寸见图1。

图1 闸室水平截面图 单位：cm；桩号，m

2 计算模型、参数及工况

2.1 计算模型

建立以地基、闸室和竖井作为整体结构的三维有限元仿真计算模型，模型的坐标原点取导流洞中心线铅直面、导0+450.00 m桩号铅直面以及2 598.75 m高程水平面的三平面交点。X轴为顺流向，其正向指向下游，Y轴为垂直水流向，指向左侧(面向下游)为正；Z轴沿铅垂向，向上为正。计算模型绝大部分采用solid 65六面体块单元，局部采用四面体三棱柱单元过渡，闸室地基四周采用法相约束，底面采用三相约束，闸室整体和门槽附件网格见图2和3。

图2 闸室结构网格图

2.2 计算参数

本次计算所采用的物理力学参数见表1。

表1 混凝土及基岩物理力学参数表

2.3 计算工况及荷载

根据导流洞闸室使用工况要求，本次计算对闸室结构在下闸封堵期工况(控制工况)进行了三维有限元计算，具体见表2。

3 计算结果与分析

3.1 应力分析

当闸门受到水压力作用时，闸门将水压力传递到两侧门槽上，因此了解闸门门槽结构受力后应力分布情况很重要，本次主要对闸室门槽结构及底部截面进行应力分析，3个方向的正应力极值及发生部位见表3。

表2 计算工况表

表3 门槽正应力的极值及发生部位表

图3 闸室门槽附件网格图

3.2 门槽结构局部受压承载力计算

(1) 按照DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》中第13.15章节规定首先应该按8.4章节规定对门槽二期混凝土进行局部受压承载力的验算，本次计算取门槽底部单位高度作为研究对象，计算结果如下：

F1=γQF=4128.08 kN

=6140.33 kN

式中：F1为局部受压面上作用的局部荷载或者局部压力设计值,kN；Al为局部受压面积,m2；γd为素混凝土结构受压破坏的结构系数，取γd=1.3；ω为荷载分布的影响系数，取ω=1；βl为混凝土局部受压时强度提高系数；Ab为混凝土局部受压时的计算底面积,m2;可根据局部受压面积与计算底面积同心对称的原则确定。

(2) 从图3和表3中可以看出门槽下游侧混凝土承受的X向(顺水流方向)最大压应力为4.614 MPa，小于C30混凝土轴心抗压强度设计值14.3 MPa，因此门槽二期混凝土局部受压承载力也满足要求。

3.3 门槽结构斜截面承载力计算

针对门槽结构的斜截面承载力复核计算，目前在DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》中无法找到具体的计算方法和公式，因此本文采用目前工程实践中使用较广泛的承载能力极限状态法对门槽结构斜截面承载力进行复核计算。

根据DL 5108—1999《混凝土重力坝设计规范》9.3.5条所列公式进行斜截面承载力计算时，按二期混凝土可能开裂滑动的最大角度进行计算(本工程θmax=60°)，计算简图见图4所示。

图4 门槽混凝土斜截面承载力计算简图

通过计算得出：

γ0φ∑Pc=0.90×0.95×3574.92

=3056.56 kN

=3608.04 kN

式中：γ0为结构重要性系数，可取γ0=0.9；φ为设计状况系数，对应于持久状况、短暂状况、偶然状况，应分别取为1.0、0.95及0.85； ∑Pc为由荷载设计值在计算截面上产生的切向分力之和，kN；∑Pc=Flcosθ-Nlsinθ；γd为结构系数，γd=1.2；fc′为计算截面混凝土抗剪断摩擦系数，fc′值取1.1；cc′为计算截面混凝土抗剪断凝聚力； ∑Wc为由荷载设计值在计算截面上产生的法向分力之和，kN，∑Wc=Flcosθ-Nlsinθ;Ac为门槽1 m高度的斜截面AB的计算截面面积，m2;θ为AB与EB面的夹角；Fl为闸门每侧沿门槽高度1 m作用于导轨上的法向压力标准值，kN;Nl为闸门每侧沿门槽高度1 m作用于导轨上的切向压力标值，本工程门槽没有切向压力作用，kN。

通过闸室门槽结构的应力云图结果可以看出：门槽二期混凝土下游侧承受闸门传递的水推力，此部位X向(顺水流方向)正应力主要为压应力；二期混凝土下游侧受压使门槽内侧混凝土产生X向(顺水流方向)的拉应力。

4 结 语

本文通过三维有限元计算了闸室门槽结构应力，并用压应力复核了结构局部承压力，同时还用工程常用的简易方法分析了门槽结构斜截面承载力，通过计算得出的闸门门槽结构满足设计要求。

[1] DL/T5057-2009,水工混凝土结构设计规范[S].北京：中国电力出版社，2009.

[2] DL 5108-1999,混凝土重力坝设计规范[S].北京：中国电力出版社，2000.

[3] 李围.ANSYS土木应用实例[M].2版.北京：中国水利水电出版社，2005.

[4] 李传才.水工混凝土结构[M].武汉：武汉大学出版社，2001.

[5] 吴松峰.闸门门槽受剪切性能试验研究[D].郑州：郑州大学，2009：1-7.

Analysis on Bearing Capacity of Slot Structural Section of Gate Chamber of Diversion Tunnel

SUN Bin, PENG Rui-zhe, HE Zhi-an

(POWERCHINA Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065, China)

With increase of water head to be retained by flat gate, action on the gate slot increases accordingly. But the specific calculation method for the bearing capacity of the inclined section of the gate slot is not available in the code so that no basis on the engineering design can be relied one. With the case of gate slot of the gate chamber of one diversion tunnel, the stress of the gate structure is calculated by application of ANSYS software. Then, the local pressure of the gate slot and the bearing capacity of the inclined section are calculated respectively. These calculations prove the structure of the gate slot satisfy design requirements. Key words:flat gate; gate slot; finite element simulation; locally pressed; bearing capacity of inclined section

2015-07-23

孙斌(1985- )，男，陕西省三原县人，助理工程师，主要从事水利水电工程施工组织设计工作.

TV663.1；TV672.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.010