矩形导流底孔孔口结构型式分析研究

杨静安,春光魁

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安　710065)



矩形导流底孔孔口结构型式分析研究

杨静安,春光魁

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安710065)

导流底孔广泛应用于混凝土坝中，大坝上开口对坝体局部结构产生不利影响，如何保证导流底孔的结构安全运行，是导流底孔设计需考虑的重要因素。文章对矩形孔口跨中与跨缝2种结构布置型式展开研究，对其受力状态、变形特性、配筋方式进行了计算和分析，得到了2种结构型式的显著差异，为今后导流底孔的设计提供了有价值的参考。

导流底孔；矩形孔口；主应力；配筋

为了充分利用混凝土大坝的特性和功能[1]，为实现大坝施工期导流及后期生态放水，一般都在坝体内设置导流底孔来实现，有些导流底孔孔口不仅尺寸较大，还要承受静水压力、高速水流、坝体自重等作用。导流底孔布置有跨中布置和跨缝布置2种结构型式，其受力特性决定了结构配筋重点不同[2]。由于孔口周边属于大体积混凝土，简化成杆件结构进行内力计算，再根据内力进行配筋方案与实际相差较大，不符合结构实际受力特点。因此，采用弹性力学方法得到主拉应力的图形面积，根据总拉力计算配筋数量的方法更切合实际。本文采用线性有限元方法对导流底孔2种布置方案进行计算分析对比[3]，得到了孔口受力特点和变形特征，为导流底孔孔口结构布置型式提供建议和参考。

1　前提条件

以某工程溢流坝导流底孔为例[4]，导流底孔高10 m、宽8 m，孔中线至坝顶高度125 m，孔中心至坝基高度25 m，孔口过流时最大水头为85 m，单坝段总高150 m，宽度为20 m，孔口采用跨中与跨缝2种布置型式，见图1。孔口周围混凝土强度等级采用C25，其弹性模量EC=28 000 N/mm2，容重r=25 kN/m3。

2　有限元模型

(1) 计算简化

取孔口上部坝体范围10 m，下部坝体范围10 m，研究坝段两侧按自由边界、底部按全约束考虑，孔口上部坝体自重等效为面力[5]。

图1　导流底孔布置型式图　　单位：m

(2) 计算模型

跨中模型节点总数为70 506，单元64 000个，以孔口底板中心为原点，水平向右为X正向，竖直向上为Y正向，Z向符合右手法则[6]。

跨缝模型节点总数为67 580，单元56 042个，以孔口底板左侧为原点，水平向右为X正向，竖直向上为Y正向，Z向符合右手法则。跨中与跨缝2种结构计算网格见图2。

图2　计算网格图

(3) 计算工况

考虑施工期和正常运行期2种工况[7]。

施工期工况：自重；

运行期工况：自重+内水压力。

3　计算结果分析

3.1应力及变形分析

(1) 跨中布置

施工期，孔口在坝体自重作用下，从主拉应力分布图(图3)上看出，最大应力出现在孔口顶板中部，最大值为4.145 MPa，拉应力延伸深度为3.0 m，竖直向下变形为3.89 mm。顶板两侧角部拉应力分布区域较大，最大数值为2.732 MPa，拉应力沿着45°方向延伸深度为5.5 m。底板中部最大拉应力为2.716 MPa，竖直向下变形为0.37 mm；底板两侧角部最大拉应力数值为0.193 MPa，但角部外侧拉应力区范围较大，拉应力平均数值为1.021 MPa。

运行期，孔口在坝体自重和内水压力同时作用下，从主拉应力分布图(图3)上看出，最大应力出现在底孔顶板中部，最大值为4.304 MPa，拉应力延伸深度为3.5 m，竖直向下变形为4.87 mm。顶板两侧角部拉应力分布区域较大，最大数值为2.383 MPa，拉应力沿着45°方向延伸深度为5.9 m。孔口底板中部最大拉应力为3.393 MPa，竖直向下变形为0.477 mm；底板两侧角部最大拉应力数值为0.249 MPa。

从施工期与运行期主拉应力数值及分布来看，运行期由于受到孔口内部水压力的作用，结构拉应力、压应力最大值及拉应力分布区都有一定程度的增大，控制工况为运行期，本算例主要由于孔口上部坝体较高，运行期内水作用下，孔口整体向外变形，底部及边墙比顶板的变形幅度大，导致顶板向下变形，拉应力进一步增大；随着坝体高度及内水压力的变化，控制工况可能为施工期[8]。

(2) 跨缝布置

施工期，孔口周围的主拉应力不大，顶部拉应力数值在0.2 MPa，左侧边墙应力控制在0.02 MPa，底板应力控制在0.61 MPa。但孔口上部坝体出现了较大的拉应力，最大数值为3.91 MPa，拉应力区分布高度约6 m；在坝段左侧边缘也出现了较大的拉应力集中区，最大数值3.641 MPa，水平向分布宽度3.0 m，这2个拉应力集中区都需通过配置钢筋来解决。主压应力主要分布于孔口角部，最大压应力-21.007 MPa，需设置倒角或配置局部加强钢筋来解决。孔口顶部右侧边缘竖向变形较大，竖向位移为17.977mm；孔口顶左侧板角部竖向变形为7.324 mm。

图3　主拉应力图　　单位：MPa

运行期，孔口周围的主拉应力不大，顶部拉应力数值在0.08 MPa，左侧边墙应力控制在0.05 MPa，底板应力控制在0.65 MPa。孔口上部坝体拉应力大数值为2.628 MPa，拉应力区分布高度约5.5 m；坝段左侧边缘拉应力最大数值1.434 MPa，水平向分布宽度2.0 m。主压应力主要分布于孔口角部，最大压应力-15.541 MPa。孔口顶部右侧竖向位移为11.04 mm；孔口顶板左侧角部竖向变形为4.918 mm。

从施工期与运行期主拉应力数值及分布来看，运行期由于受到孔口内部水压力的作用，结构拉应力、压应力最大值及拉应力分布区都有一定程度的减小，控制工况为施工期[9]。

(3) 布置型式比较

通过对跨中布置与跨缝布置2种结构型式的计算分析结果来看，跨中布置孔口顶部及底板拉应力区分布范围较大，且拉应力数值也较大，需通过配置钢筋来解决；跨缝布置孔口周围拉应力分区及拉应力数值均较小，仅配置构造钢筋即可，但坝体上部及左侧出现了拉应力区，但数值与范围均比跨中布置型式的控制工况小。从孔口2种布置方案比较来看，建议采用跨缝布置方案，可有效解决孔口周围拉应力问题，但需在孔口上部坝体及侧面配置受拉钢筋。

3.2配筋计算

(1) 配筋方法

按照DL/T 5057-2009《水工混凝土结构设计规范》相关规定[10]，当结构截面在配筋方向的正应力图形偏离线性较大时，受拉钢筋截面面积AS应采用下列公式计算。

式中：T为由荷载设计值确定的弹性总拉应力；Tc为混凝土承担的拉应力；fy和As分别为钢筋抗拉强度设计值和截面面积;rd为结构系数(取1.2)。混凝土和钢筋强度值均取设计值，这其中就包含了一定的安全系数，而且混凝土的设计值又折减了0.6的安全系数，最后混凝土与钢筋又除以1.2的结构系数，按照这种方法进行配筋设计，配筋量往往偏大。

(2) 配筋计算

针对孔口混凝土结构受力特性，取了7个关键截面(图4)进行配筋计算，计算结果见表1。

表1　孔口周围计算配筋表　/mm2

从跨中结构形式方案施工期和运行期2种工况计算配筋结果来看，7个关键截面的配筋，运行期均比施工期钢筋计算面积大，配筋直径与根数多。从跨缝结构形式2个工况计算结果来看，2种工况孔口周围主拉应力数值及大小变化不大，均按照构造配筋即可，但所计算模型顶部与左侧需配置受拉钢筋。具体配筋方案见表2。

图4　关键截面及配筋方案图

表2　跨缝布置方案主筋配置表

从跨缝布置方案施工期与运行期2个工况主筋配置结果来看，施工期比运行期都大，内水压力的作用抵消了一部分自重作用，对结构受力有利，控制工况为施工期。因此，当导流底孔采用跨缝结构形式时，虽然孔口周围可按照构造配置钢筋，但由于孔口变形，导致了顶部及侧面坝体变形产生了拉应力区，必须对此部位进行配筋，避免产生竖向与横向裂缝，对混凝土坝的安全运行产生不利影响。

4　结　语

(1) 导流底孔采用跨中结构形式，运行期与施工期孔口周围混凝土主拉应力数值与分布区范围都大；根据坝体高度与内水压力综合判断控制工况；

(2) 导流底孔采用跨缝结构形式，施工期比运行期的主拉应力数值与分布区范围都大，因此，施工期是跨中布置方案的控制工况；

(3) 导流底孔采用跨缝结构形式，孔口主拉应力数值较小，拉应力区分布范围小，当坝体上布置较大的孔口时，建议采用；

(4) 导流底孔跨中布置方案的主筋配置在孔口周围，顶板主筋配置较多、底板次之、边墙最少；跨缝布置方案孔口按照构造配置钢筋即可，但需在孔口顶部与侧面坝体混凝土进行计算，配置受拉钢筋。

[1]陈进,黄薇,丁茜.大坝矩形孔口应力状态分析[J].水力发电,2000(12):21-24.

[2]程宵,苏凯,伍鹤皋.导流底孔结构受力分析与坝上游面拉应力控制措施[J].水利水电科技进展,2011(06):27-31.

[3]傅丹,伍鹤皋,苏凯.碾压混凝土重力坝导流底孔有限元分析[J].水电能源科学,2011(09):85-88.

[4]吕琦,雷艳等.功果桥电站大坝底孔设计[J].水利科技与经济，2014(11):116-118.

[5]杜雄春,李志祥.三峡工程导流底孔运行分析[J].中国三峡建设,2001(03):15-16.

[6]唐力.三峡水利枢纽导流底孔研究[J].人民珠江,2001(02):07-09.

[7]尹华安.三峡水利枢纽导流底孔研究[J].人民珠江,2014(09):01-05.

[8]李艳.水工结构工程[D].南京：河海大学,2007(06):45-68.

[9]李晓荣.某水电站泄洪底孔开裂状况的研究[J].山西建筑,2008(26):102-104.

[10]中华人民共和国国家能源局.水工混凝土结构设计规范:DL/T5057-2009[S].北京：中国电力出版社，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

杨静安(1979- )，男，河南省鹤壁市，高级工程师，从事施工组织设计工作.

TV551.3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.011