灯泡贯流式水电站厂房流道结构计算探析

郭德昌/中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司

灯泡贯流式水电站厂房流道结构计算探析

郭德昌/中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司

本文通过对比分析阐述了灯泡贯流式水电站厂房下部流道结构计算方法及代表截面选取的原则，建议了结构与地基相互作用模型，通过工程实践印证了方法的可行性及技术性。

流道结构；弹性地基；内力计算

前言

开发利用低水头水力资源一般选择贯流式水电站，灯泡贯流式机组是大中型贯流式水电站应用最广泛的机组型式[1]。根据其厂房结构布置特点，其下部流道轴向贯通，顺水向包括进口段、中段及尾水段；主要结构形式为大体积钢筋混凝土结构，流道断面较大。钢筋混凝土结构设计相关规范要求根据结构内力进行截面配筋计算，因此如何科学、合理的选择代表断面显得尤为突出；且结构与地基的相互作用如何模拟亦成为类似问题的关键。

1.典型部位的选取

1.1止水布置

文献[2]中从节约工程投资角度推荐利用下游水压进行抵消内水作用的布置方案。因厂房内部对防渗要求较高，为提高防水的保障性，建议上、下游竖向止水锚入基础，底板上部增加水平向止水，与上、下游竖向止水有效搭接。

1.2计算假定

1.2.1流道结构差异较大，顺水流向分进口段、中段及尾水管段，进口段和尾水管段各部位内力计算简化为平面问题考虑，即沿顺水流方向切出单位宽度为计算对象。进口段上部挡水墙厚度较大，结构刚度相对较大，简化为倒置框架进行分析；尾水管段按弹性地基上的框架进行分析。

1.2.2结构构件材料为均质弹性体，计算时考虑节点刚性和剪切变形的影响。

1.3典型剖面的选取

厂房下部结构受力沿顺水流方向存在几个控制点或突变点，结构计算时断面选取一般考虑下列因素：1.3.1底板上下游端部处于地基应力的两个极值，可能控制底板配筋；

1.3.2止水前后位置闸墩内外可能承受的水压力不同，可能控制闸墩、底板配筋；

1.3.3闸门前后位置不同工况可能承受的水压力不同，可能控制底板配筋。

1.4计算工况及荷载

依据设计规范及实际条件进行确定。

2.结构与地基的相互作用

2.1弹性地基上框架结构的计算方法

结构与基础间通过链杆进行联接，本质思路是将连续支撑于基础上的结构简化为有限个链杆支撑于基础上的梁，使无穷多次超静定结构简化为有限多次超静定结构。随着工程实际应用的发展，沈英武[3]结合结构力学和弹性地基梁计算，提出了“逐次渐近法”来计算弹性地基上框架结构内力。但不能考虑基础与结构间的水平向剪力，傅作新[4]建议了一种双链杆法，即模拟竖向和切向的作用，研究成果表明，考虑基底剪力的影响后，地基反力趋于均匀，结构受力结果的体现是使得结构负弯矩增加。而基岩的地基反力相对集中，故可不考虑基底剪力，设计结果偏于安全。

2.2地基模型的选取

厂房结构座落在基岩上，为“天然硬基”，故结构与地基的相互作用采用文克尔（Wiknelr）模型，基础表面任一点的压力与该点位移成正比，且两者的相互作用为“单向”即只受压。计算公式如下：

式中：F——地基反力；S——作用点位移；k——地基反力系数（依据地质资料进行等效）。

3.工程实践

依照前述原则，对某灯泡贯流式厂房流道结构进行分析，具体如下。

表3-1 计算工况及荷载

3.2结构典型部位计算成果

根据上述计算原则及荷载进行计算，选择尾水段流道底板和顶部计算成果为代表进行分析，相应成果见表3-2

表3-2 下部流道尾水段计算成果

由以上计算成果可见，结构断面抗剪、裂缝均满足规范[5]要求。综合比较，内力值及结合断面最小配筋要求，配筋较为合理。

4.结论

对灯泡贯流式水电站厂房下部流道计算可以采用“截条法”，依据本文原则选取合理的代表截面，按平面框架结构进行分析；选择合适的弹性刚度系数，进而真实模拟地基与结构的相互作用，计算方法简便、荷载明确、分析效率较高。在对大型厂房结构分析时，由于其空间形体及荷载分布相当复杂，平面分析无法体现结构间的相互作用，建议采用三维有限元进行结构受力分析。

参考文献：

[1]桥巩水电站分公司，河海大学《特大型灯泡贯流式水电站工程实践》，中国水利水电出版社

[2]李守义等《灯泡贯流式水电站厂房水平止水布置研究》，水资源与水工程学报，第20卷，第1期，2009.2

[3]沈英武，弹性地基梁和框架分析文集 水利出版社 1980.1

[4]傅作新，基底剪力对基础梁反力和内力的影响 上海水利1999.1

[5]《水工混凝土结构设计规范》DL/T5057-2009