厂房挡水结构设计与有限元分析

王志珑

（中国电建集团北京勘测设计研究院，北京市 100024）

厂房挡水结构设计与有限元分析

王志珑

（中国电建集团北京勘测设计研究院，北京市 100024）

高尾水以及施工期高降雨量是额勒赛上电站厂房的两大特点，厂房挡水结构设计也就成为设计中的难点问题。本文以厂房尾水闸墩及边墙结构设计为例，详细阐述了它们在结构设计方面采取的措施以及有限元分析计算过程，为今后类似工程提供了参考。

高尾水；高降雨量；尾水闸墩；边墙；有限元

0 引言

额勒赛上电站位于柬埔寨王国西部戈公省，厂房位于坝址沿河下游约4.6km处左岸，布置岸边地面式厂房。额勒赛上电站按200年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。厂房建基面高程为90.8m，厂址设计洪水位为118.57m高程，厂址校核洪水位为119.61m高程，即在校核洪水位情况下，尾水水头达28.81m，相当于中小型挡水坝承受的水头，高尾水是该电站厂房的一个重要特点。另外柬埔寨雨季雨量较大，施工期在主机间各层楼板未浇筑的情况下，考虑到外水绕渗，边墙要承受较大水压力，这是该电站厂房设计的又一特点。因此，厂房边墙及尾水闸墩的结构设计具有重要意义。

1 尾水闸墩结构设计

针对厂房高尾水的特点，在尾水闸墩结构设计方面采取了一些措施。首先把尾水副厂房消防水泵房120cm厚板顶板作为尾水闸墩的支撑结构之一，可以把部分尾水压力传递给蜗壳外包大体积混凝土。其次，尾水闸墩设计时不再简化为平面问题，而是采用有限元Ansys软件对其进行三维模拟计算分析。

1.1 计算模型

根据厂房布置情况，厂房内安装两台机组，采用一机一缝结构型式，1号机组、2号机组之间设置结构缝，取2号机组段尾水挡墙进行三维有限元分析。尾水挡墙100.05m高程以下与大体积混凝土相连，所以计算范围取100.05m高程以上挡墙、边墩以及中墩整体为对象建立模型。计算模型的总体坐标系取Z轴为垂直竖向，以100.05m高程处为原点，向上为正。Y轴方向为厂下→厂上，X轴为厂右→厂左，模型详见图1。

1.2 计算理论与方法

本次计算通过Ansys软件采用整体建模求解应力，再根据应力的分布规律取尾水挡墙和闸墩的典型断面作为配筋控制断面。对典型截面采用指定单元路径的方法再经过线性化处理后便可得到线性化的应力图形，既而进行截面内力计算。

根据有限元计算的应力成果，将计算应力分布图先拟和为直线分布，根据拟和直线应力分布图求轴力和弯矩。其公式如下：

图1 尾水挡墙三维计算网格剖分图Fig.1 Three-dimensional calculation grid of tail gate pier

当应力图形线性分布时，有下列公式成立：

式中：σmax、σmin——分别为截面最大、最小应力，可以由截面应力图上查到；

N——截面所受轴力，kN；

M——截面所受弯矩，kN·m；

A——截面面积，m2；

W——截面抗弯模量。

根据式（1）、式（2），可以求出截面内力N、M，

公式如下：

1.3 计算荷载及计算工况

作用在尾水挡墙上的荷载主要有尾水平台活荷载、挡墙自重、尾水副厂房楼板自重以及作用在尾水副厂房各层上的活荷载、下游静水压力作用和扬压力作用。其中，尾水平台活荷载主要为闸墩顶部尾水闸门起吊及检修的荷载以及平台上考虑车辆通行活荷载。尾水闸墩上游侧为尾水副厂房，尾水副厂房各层楼板均简支在尾水闸墩上游侧牛腿上，所以尾水副厂房各层楼板自重及活荷载以线荷载形式作用在尾水闸墩上游侧牛腿上。

本计算考虑三种计算工况，分别为尾水设计洪水位工况（基本组合）、尾水校核洪水位工况（偶然组合）、尾水设计洪水位工况（长期组合，裂缝宽度验算）。

1.4 应力计算

本计算分别对三种工况下闸墩X向（水平向）及Z向（竖直向）进行应力计算。以尾水设计洪水位工况（基本组合）Z向应力计算为例，计算结果如下（见图2）：

图2 尾水设计洪水位工况整体Z向（竖直）应力分布云图（kPa）Fig.2 Stress distribution pattern at z-direction of tail gate pier

根据图2可知，闸墩的Z向应力在底部的下游侧最大，呈现受拉状态，上游侧尾水挡墙基本为受压状态。按应力的分布情况，分别截取EL100.05m、EL105.45m、EL109.65m，3个截面的应力云图，并分别选取4条路径进行应力分析，即Line1、Line2、Line3、Line4，根据所得应力值通过式（3）、式（4）求得内力值，最终根据内力值进行配筋计算。

1.5 计算结果

通过Z向（竖直）应力分布云图（见图3）可知，闸墩底部下游侧（墩头处）拉应力最大，随高程升高拉应力逐渐减小，最终成受压状态。闸墩上游侧（挡墙处）从下至上均处于受压状态。因此下游侧配筋为：EL105.45m以下采用双排36@200钢筋,EL105.45m以上采用单排36@200钢筋；上游侧配筋为：EL105.45m以下采用28@200钢筋,EL105.45m以上采用25@200钢筋。

图3 高程100.05m截面Z向（竖直）应力分布图（kPa）Fig.3 Stress distribution pattern at z-direction of EL.100.05 section

2 厂房边墙结构设计

柬埔寨雨季雨量较大，在厂房基坑开挖期间两次被洪水淹没，围堰被冲毁，若施工期在主机间各层楼板未浇筑的情况下，考虑到外水绕渗，边墙承受较大水压力，结构设计上难度较大。设计中主要采取了以下措施：

（1）主机间上游侧主变压器开关楼底板与主机间上游墙一同浇筑，这样可以对主机间上游墙有一定的拉结作用，解决了施工期墙体结构设计难题。

（2）边墙结构设计时采用软件SAP2000对其进行有限元分析计算，不再简化成简单的悬臂杆件，对墙体进行整体计算，考虑墙体左右两端的约束作用。

主机间边墙结构设计包活上游墙及左右边墙结构设计。主机间上游墙墙体底部与蜗壳层底板相连，在计算中取单位宽度简化为“L”形结构，在施工期各层楼板尚未浇筑，上游墙高度较高且无侧向支撑，根据实际情况，在计算中考虑主变压器开关楼底板对墙体的拉结作用，计算模型较为简单，本文不再详细说明，重点介绍左右边墙结构计算。

2.1 计算模型

左右边墙与上游墙相比跨度较小，利用SAP 2000中厚壳单元整体建模计算，右端墙上下游方向长25.5m（范围：Sta.U0+012.000～Sta.D0+013.500），高度21.95m（范围：EL.98.05m～EL.120.00m）；左端墙上下游方向长25.5m（范围：Sta.U0+012.000～Sta.D0+013.500），高度11.60m（范围：EL.98.05m～EL.109.65m）。模型底部边界条件采用固端约束。详见图4、图5。

图4 右端墙计算模型Fig.4 Calculation model of righ sidewall

图5 左端墙计算模型Fig.5 Calculation model of left sidewall

2.2 计算理论与方法

左右边墙计算利用SAP2000中厚壳单元整体建模计算，模型中上下游侧及底部边界条件采用固端约束，但考虑到上下游侧的实际约束情况并没有固端那么强，因此，需要对模型计算结果中的弯矩进行调幅，并最终利用调幅后的结果计算配筋。

2.3 计算荷载及计算工况

在持久工况下，主机间各层楼板已浇筑，楼板对墙体有侧向支撑作用，墙体所受弯矩大大减小，持久工况不是控制工况，因此本文只考虑在施工期楼板未浇筑情况下遇50年一遇洪水位工况（短暂工况基本组合）。

计算荷载主要为50年一遇洪水位（P=2%，▽116.3m）对应的静水压力，对应模型底部高程▽98.05m处的水头为18.25m。

2.4 内力计算

计算采用有限元设计软件SAP2000，采用厚壳单元建立模型后施加静水压力荷载，最终得到弯矩图及轴力图（见图6、图7）。本计算分别对左右端墙X向（水平向）及Z向（竖直向）进行内力计算。以右端墙Z向内力计算为例，计算结果如下：

图6 右端墙Z向弯矩图Fig.6 Z-direction bending moment diagram of righ sidewall

图7 右端墙Z向轴力图Fig.7 Z-direction axial force diagram of left sidewall

2.5 计算结果

根据弯矩分布云图分别选取墙体内侧及外侧（临水侧）弯矩最大截面进行配筋计算，以右端墙为例，由图6、图7可知墙外侧底部红色区域弯矩最大，经配筋计算选配32@200钢筋，墙内侧蓝色区域弯矩最大，选配32@200钢筋。

3 结束语

高尾水以及施工期高降雨量是额勒赛上电站厂房的两大特点，同时也是结构设计中的两大难点。针对上述问题，首先在结构设计方面通过采取一些有效措施，例如尾水副厂房消防水泵房设置120cm厚板作为尾水闸墩的支撑结构以及主变压器开关楼底板对主机间上游墙的拉结作用等。其次，采用三维有限元软件对结构进行整体建模计算，提高了设计精度及准确度。希望本文能够给今后类似工程提供参考，特别在一些高降水量地区，施工期各层楼板未浇筑的情况下厂房边墙的结构安全应值得重视。

［1］付强，曹玺.浅议抽水蓄能电站基建期地下厂房安全通道设置［J］.水电与抽水蓄能，2015，1（3）：7-11.FU Qiang,CAO Xi.The Underground Powerhouse of Infrastructure Securituy Channel is Arranged on the Pumping Energy Storage［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(3):7-11.

［2］夏智翼，胡云鹤.某抽水蓄能电站水毁面板修复灌浆施工［J］.水电与抽水蓄能，2015，1（3）：12-14.XIA Zhiyi,HU Yunhe.Repair Grouting Construction for Damaged Panel of Pumped Storage Power Station［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(3):12-14.

王志珑，（1986—），男，工程师，硕士，主要研究方向：水电站厂房设计。E-mail:wangzl@bhidi.com

Structural Design and Finite Element Analysis of Powerhouse Retaining Structure

Wang Zhilong
(Hydrochina Beijing Engineering Corporation,Beijing 100024, China)

High tail water and high rainfall in construction period are two features of Lower Stung Russei Chrum Hydropower Project-Upper Station.Structural design of powerhouse retaining structure has become the difficult problem in design.Taking structural design of tail gate pier and sidewall as the case, this article describes the measures taken in structural design and the process of finite element analysis, which supplies a reference for similar project.

high tail water; high rainfall; tail gate pier; sidewall; finite element

TV314

A 学科代码：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.015