杨房沟拱坝集水井结构配筋研究

叶甜 冯研 戴永琪

摘要：笔者根据杨房沟水电站整体模型计算分析结果，得到拱坝10#坝段子模型切割边界上的节点位移，将切割边界上的节点位移作为约束条件加在子模型上，加上其他荷载共同计算子模型应力[1-3]。集水井及其附属结构泵房、隔板位于拱坝10#坝段。根据泵房、隔板、集水井在静力工况下的第一、第三主應力分布情况，采用应力图形法计算得到承载能力极限状态下集水井周边混凝土单位厚度最大配筋量[4]，并拟定泵房、隔板、集水井的配筋方案。

关键词：集水井;有限元分析;应力;配筋

中图分类号：TV642.4+2;TU755.3;A715  文献标识码：B

1  工程概况

杨房沟水电站是我国首个以EPC模式建设的百万千瓦级大型水电工程，为一等工程，工程规模为大（1）型。挡水建筑物采用抛物线型混凝土双曲拱坝，最大坝高155 m，河床建基面高程1947 m，坝顶高程2102 m。拱坝内布置一个集水井，通过在拱坝内部预留空腔形成，因此，集水井周边混凝土将产生应力集中现象，需配筋加以解决。

集水井底高程1948m，顶高程1954.4m，尺寸为11m×6m×6.4m（长×宽×高）;集水井上方是排水泵房，泵房底高程1955.15m，顶高程1962.2m，尺寸为11m×5.3m×7.05m（长×宽×高）。泵房与集水井之间设置一隔板，隔板厚度75cm。本文研究对象为集水井及其附属结构泵房、隔板。

2  集水井配筋计算数值模拟

2.1  数值模型及岩土体参数取值

图1为杨房沟水电站整体模型网格图，图2为拱坝10#坝段子模型网格图（集水井位于该坝段底部，通过预留空腔形成）。首先对拱坝整体模型计算分析，得到拱坝10#坝段子模型切割边界上的节点位移，将该节点位移作为约束条件加在子模型上，加上其他荷载共同计算10#坝段子模型应力。整体模型中，地基沿上坝面与建基面交线最低点往下取1.5倍坝高，坝前取2倍，坝后取3倍，大坝两侧取1倍坝高。整体有限元模型节点数为109 984、单元数为94 161。

2.2  边界条件

基岩上下游边约束水平顺河向位移，底边全约束，左右两侧边约束沿坝轴线（横河向）水平位移。基岩假定为各向同性、均匀连续的弹性体，坝体混凝土假定为不透水体，水压力均只作用在相关面上。

2.3  特征水位及淤沙高程

杨房沟水电站上、下游水库特征洪水位及坝前淤沙高程见表1。

2.4  材料参数

（1）淤沙参数。淤砂浮容重：0.5×103 kg/m3;淤砂内摩擦角：0º。

（2）坝体混凝土材料参数。拱坝主要采用C18030、C18025混凝土，闸墩和孔口部位采用C30混凝土，闸墩颈部及支撑大梁混凝土采用C40。主要参数见表2。

（3）钢筋材料参数。结构钢筋采用HRB400E钢筋，抗拉强度设计值采用360 N/mm2。

（4）分项系数。

结构重要性系数γ0=1.1;

荷载分项系数γQ=1.1;

结构系数γd=1.2;

持久状况状况系数为ψ=1.0。

（5）坝基材料参数。坝址区岩石质量分级和主要力学参数见表3。

2.5  计算荷载

根据结构设计要求，所有荷载都按《水工建筑物荷载设计规范》[5]和《水工混凝土结构设计规范》[5]要求取荷载标准值计算。

2.6  计算工况

在有限元静力计算中，主要考虑以下工况组合，见表5。

3  配筋计算结果与分析

3.1  集水井应力分析

静力工况下拱坝10#坝段子模型应力云图见图3。静力工况下拱坝10#坝体周边混凝土应力峰值见表6。可以看出：（1）拱坝10#坝段子模型主拉应力最大值为8.71 MPa，发生在上游建基面位置;（2）拱坝10#坝段子模型主压应力最大值为9.90MPa，发生在下游坝面底端建基面位置。

3.2  集水井配筋计算

根据集水井各部位应力计算结果，采用混凝土承载能力极限状态配筋[5-6]。截取相应的截面，并对截面切取适量的线，从而得到拉应力图形，由混凝土结构的应力图形进行承载能力极限状态配筋计算，确定钢筋用量[4]。

（1）泵房配筋计算。静力工况下泵房的第一、第三主应力分布情况见图4。

水平向控制应力为1.54 Mpa，承载能力极限状态下单位厚度最大配筋量为5697 mm2;径向应力主要为压应力，按构造配筋。

（2）隔板配筋计算。静力工况下隔板的第一、第三主应力分布情况见图5。

水平向控制应力为1.605 Mpa，承载能力极限状态下单位厚度最大配筋量为6166 mm2;径向控制应力为0.79 MPa，承载能力极限状态下单位厚度最大配筋量为218 mm2。

（3）集水井配筋计算。静力工况下集水井的第一、第三主应力分布情况见图6。

水平向控制应力为1.21 MPa，承载能力极限状态下单位厚度最大配筋两位8716 mm2;径向应力主要为压应力，按构造配筋。

（4）配筋设计。根据本节（1）～（3）静力工况下的集水井结构应力计算和配筋设计，考虑一定安全裕度及施工便利性，拟定集水井相关结构配筋方案为：配筋直径为32mm、两层、间排距均为20cm，相应单位宽度配筋面积为8038.4mm2。

4  结语

笔者采用有限单元数值分析方法，考虑自重、静水压力、淤沙压力、温度荷载的作用，对杨房沟集水井相关结构进行了应力及配筋计算分析，拟定配筋方案为：按照间排距20 cm配置双层32圆HRB400E钢筋，单位宽度配筋面积为8038.4 mm2。

参考文献：

[1]朱伯芳. 有限单元法原理与应用[M].北京：水利水电出版社，2009.

[2]Bathe，K. J. Finite Element Procedures[M]. New Jersey：Prentice-Hall，1996.

[3]李同春，温召旺. 拱坝应力分析中的有限元内力法[J].水力发电学报，2002.

[4]石广斌. 弹性应力配筋法的探讨及应用[J].水电站设计，2003.

[5]水工建筑物荷载设计规范：DL/T5077-1997[S].

[6]水工混凝土结构设计规范：DL/T5057-2009[S].

作者简介：

叶甜（1990-），男，江西上饶人，工程师，硕士研究生，从事水工结构方面工作;

冯妍（1995-），女，江苏扬州人，助理工程师，硕士研究生，从事水工结构方面工作;

戴永琪（1996-），女，江苏扬州人，助理工程师，从事水工结构方面工作。