某重力坝复杂廊道系统三维有限元结构配筋计算

杨磊 倪绍虎

摘要：基于大型通用有限元软件ANSYS强大的前处理功能，建立某重力坝复杂廊道系统三维有限元模型，模拟计算各工况下大坝位移及应力响应。选取廊道环向应力极致所处断面，根据配筋计算“应力图形法”，对环向应力极致所处断面进行三维插值、应力积分，并运用规范方法计算各廊道的配筋参数。计算成果表明，上述计算方法理论成熟，计算成果可用于大体积混凝土的结构配筋。

关键词：复杂廊道系统;有限元单元法;应力图形法;三维插值;应力积分

1前言

1.1问题的提出

水工大体积混凝土中，从结构功能运用角度出发，不可避免的需要在大体积混凝土内部布设孔洞，如大坝电梯井、坝身泄洪孔、廊道系统等[1];孔洞的设置势必引起大体积混凝土产生局部应力集中现象，存在引发混凝土开裂的风险。为科学、经济地对水工大体积混凝土中孔洞进行加固配筋，需有一种科学的计算分析方法。

对于重力坝而言，由于其各自坝段独立工作的特性，可选择复杂廊道所处坝段进行建模计算[2]。对于拱坝工程所对应的下游二道坝结构，其坝身孔洞布置往往很复杂，从结构功能角度出发，其坝身布置有顺河向的排水连接廊道、阀室等，横河向的集水廊道、检修泵房、灌排廊道等，顺河向廊道与横河向廊道存在互通、交叉，这更加剧了廊道周边混凝土应力的复杂性，三维有限元计算则是重要的计算分析手段

1.2工程简介

某水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，距巧家县城45km，上接乌东德梯级，下邻溪洛渡梯级，电站装机容量16000MW。枢纽由拦河坝、泄洪消能设施、引水发电系统等主要建筑物组成。工程为一等大（Ⅰ）型工程，挡水、泄水、引水发电等主要建筑物按1级建筑物设计，消能防冲建筑物按2级建筑物设计。

二道坝采用重力式混凝土坝，表面2m范围采用C9040混凝土、内部采用C18030混凝土，坝顶宽度为8m，上游坡为1∶0.6，下游坡为1∶0.8。二道坝内设灌浆廊道、排水廊道，并与水垫塘排水廊道相通，组成水垫塘和二道坝统一的排水系统，通过集水廊道连接到岸边山体内的集水井，并设专用水泵抽排。

二道坝按2级建筑物设计，结构安全级别为II级，按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核，其廊道结构相对复杂的。本文选取二道坝7#坝段作为计算分析对象，7#坝段中布置有顺河向的EP4排水廊道、阀室，横河向的阀室连接廊道、EP1灌排廊道、檢修泵房、右岸集水廊道，7#坝段的典型剖面图间图1，廊道三维布置图见图2。

2有限元模型建立与网格划分

2.1计算模型

采用三维有限单元法对二道坝7#坝段坝体及廊道进行计算，坝体、廊道结构及三维有限元模型见图3～4。

计算中整体坐标系为：顺河向为X轴，指向下游为正;横河向为Z轴，指向左岸为正;竖直向上为Y轴。

2.2材料参数

坝体混凝土C18030、C9040

容重c=24kN/m3，弹性模量Ec=24GPa，泊松比v=0.167。

基岩

不考虑基岩自重，弹性模量Ec=10Gpa，泊松比v=0.24。

2.3计算工况、荷载及边界条件

根据水垫塘的运行方式及二道坝的结构受力特性，拟定其较为危险的工况，工况列表见表1，各工况对应的上下游水位列于下表2。

3计算成果分析

3.1应力结果及分析

廊道周边应力峰值结果见表3～6，典型应力分布见图5～8。所有应力均为廊道局部坐标系下的应力成果。从应力成果可以看出：

工况1中，右岸集水廊道尺寸相对较小，第1主应力最大值为0.51Mpa，出现在靠6#横缝的顶拱部位;排水廊道EP4横河向（底板环向应力）最大应力为0.48Mpa，出现在爬坡廊道与水平廊道结合部位（靠上游侧）;检修泵房顺河向（底板环向应力）最大应力值为0.46Mpa，底板中心部位;灌排廊道EP1顺河向（底板环向应力）最大应力值为0.50Mpa，靠3#横缝的底板中心部位;阀室及阀室连接廊道所处高程为581.12m，所处高程较大，应力状态较小，自重作用下最大第1主应力未超过0.15Mpa。在自重的作用下，上部的廊道应力小，下部的廊道应力较大，但应力峰值均未超过混凝土抗拉、抗压强度。

工况2中，右岸集水廊道尺寸相对较小，第1主应力最大值为0.36Mpa，出现在靠6#横缝的底板;排水廊道EP4横河向（底板环向应力）最大应力为0.78Mpa，出现在爬坡廊道与水平廊道结合部位（靠上游侧）;检修泵房横河向（靠上游侧边墙）最大应力值为0.53Mpa;灌排廊道EP1横河向（靠上游侧边墙）最大应力值为0.48Mpa，出现在与排水廊道EP4交界顶拱部位;阀室及阀室连接廊道所处高程为581.12m，所处高程较高，应力状态较小，最大第1主应力未超过0.25Mpa。相比工况1，排水廊道EP4周边混凝土横河向应力有所增长，但其周边混凝土拉、压应力小于混凝土的抗拉、抗压强度。

工况3中，右岸集水廊道第1主应力最大值为0.61Mpa，出现在靠6#横缝的顶拱中心部位;排水廊道EP4横河向（底板环向应力）最大应力为0.60Mpa，出现在廊道与上游坝面交界部位顶拱处;检修泵房横河向（靠上游侧边墙）最大应力值为0.49Mpa;排水廊道EP1横河向（靠上游侧边墙）最大应力值为0.28Mpa，出现在与排水廊道EP4交界顶拱部位;阀室及阀室连接廊道所处高程为581.12m，所处高程较大，应力状态较小，最大第1主应力未超过0.20Mpa。

工况4中，受地震加速度作用，廊道周边混凝土应力水平有所提升。左岸集水廊道第1主应力最大值为0.93Mpa，出现在靠6#横缝的底板;排水廊道EP4横河向（底板环向应力）最大应力为0.87Mpa，出现在爬坡廊道与水平廊道结合部位（靠上游侧）;检修泵房横河向（靠上游侧边墙）最大应力值为0.76Mpa;

排水廊道EP1顺河向（爬坡廊道与水平廊道交界部位、底板环向应力）最大应力值为0.93Mpa，最大第1主应力1.55 Mpa，靠7#横缝的顶拱部位;阀室连接廊道在地震作用下，上游侧边墙最大环向应力为0.95Mpa。

高程部位廊道阀室、阀室连接廊道及排水廊道EP1高程570m段应力较其他工况增加明显，这是高高程部位廊道动反应比较强烈造成的;应当指出，由于静动力成果叠加使用了各振型成果的平方和，因此静动力叠加后各向应力的方向性仅供参考。

综上，廊道周边混凝土拉、压应力小于混凝土的抗拉、抗压强度。

3.2配筋计算结果

3.2.1构造配筋

综合各工况的应力结果来看， 7#坝段除灌排廊道EP1外各廊道的应力均远小于混凝土抗拉强度（C18030：1.43Mpa），可按构造要求配筋。参考同类工程廊道配筋成果，7#坝段除灌排廊道EP1外各廊道配筋成果见表7。

3.2.2结构配筋

根据应力成果，提取7#坝段EP1灌排廊道底板截面的横河向应力进行配筋计算，计算结果见表8，由表可见考虑混凝土承受动拉应力EP1灌排廊道底板截面需配置1958mm2钢筋，不考虑混凝土承受动拉应力EP1灌排廊道底板截面需配置2388mm2钢筋，鉴于EP1灌排廊道河床高程低两岸高程高，参考阀室及阀室连接廊道的计算成果，廊道高程越高动反应越强烈，岸坡坝段的EP1灌排廊道动拉应力亦可能超过现计算的7#坝段EP1灌排廊道动拉应力水平，因此配筋参数拟定为环向受力筋1层C32@200、构造筋C28@200，保证一定的安全裕度。

4结论

二道坝7#坝段所有工况廊道周边最大第1主应力为1.55Mpa，最大压应力-4.41Mpa，最大第一主应力超过混凝土抗拉强度，压应力未超过混凝土抗压。

7#坝段除灌排廊道EP1外各廊道的应力均远小于混凝土抗拉强度（C18030：1.43Mpa），可按构造要求进行配筋。参考锦屏水电站二道坝廊道配筋情况，并考虑一定安全裕度， EP4排水廊道构造配筋参数为环向受力筋1层C28@200、构造筋C25@200;检修泵房在混凝土内部较大，配筋参数为1层C32@200、构造筋C28@200;阀室及阀室连接廊道所处高程较高，地震反应较其他廊道强，考虑阀室尺寸（13.0m×4.0m×4.0m）较大，配筋参数为1层C32@200、构造筋C28@200。

根據应力成果，提取7#坝段EP1灌排廊道底板截面的横河向应力进行配筋计算，鉴于EP1灌排廊道河床高程低两岸高程高，参考阀室及阀室连接廊道的计算成果，廊道高程越高动反应越强烈，岸坡坝段的EP1灌排廊道动拉应力亦可能超过现计算的7#坝段EP1灌排廊道动拉应力水平，因此配筋参数拟定为环向受力筋1层C32@200、构造筋C28@200，保证一定的安全裕度。

参考文献

[1]张元泽，黄志澎，牟高翔，潘艳芳.大岗山拱坝廊道三维静力线弹性有限元分析及配筋方法研究[J]. 水电站设计，2014，30（2）：13-16.

[2] 潘家铮.重力坝设计[M＼].北京：水利电力出版社，1987：3-10.