高尾水厂房尾水闸墩三维有限元配筋计算研究

路 雷，陈仁宏，肖 蕾

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081）

1 工程概况

董箐水电站是西电东送第二批重点电源建设项目之一，为大（2）型Ⅱ等工程。位于贵州北盘江下游贞丰县与镇宁县交界处。总装机容量为880 MW，安装4 台220 MW 水轮发电机组，保证出力172 MW，年平均发电量为31 亿kW·h，水库正常蓄水位490 m，总库容9.55亿m3，调节库容1.438亿m3，以发电为主，兼有防洪、供水、养殖和改善生态环境等综合效益。

董箐水电站厂房布置在面板坝下游右岸坝脚附近，厂房轴线方位角为N23°E。厂区枢纽主要由主机间、右端安装间、上游副厂房、上游升压开关站、右端上游中控楼、下游副厂房、下游尾水平台、尾水渠及进厂交通等建筑物组成。主厂房由主机间、安装间组成，主机间长92.5 m，安装间长44.5 m，总长137.0 m，高81.3 m，厂房净跨度19.5 m，加两侧墙柱总宽25.5 m，机组间距22 m，机组安装高程为359.6 m，发电机层高程376.7 m。上游副厂房布置在主厂房对应段上游，全长123 m，宽度18.5 m，高40.7 m。下游副厂房布置在主机间下游墙与尾水挡墙之间，长89 m，最大宽度6 m，最小宽度3 m，高32.8 m。中控楼布置在安装间上游侧副厂房顶部，中控楼尺寸为30.5 m×19 m×28.5 m（长×宽×高），中控室楼面高程424.0 m。升压开关站为户内式GIS升压开关站，布置在主机间上游侧副厂房顶部，主变开关室尺寸为92.5 m×19 m×28.5 m（长×宽×高）。尾水建筑物包括尾水管、尾水闸门操作平台及尾水渠等。

董箐水电站受下游龙滩水库运行方式的影响，尾水变幅达36 m，校核洪水尾水位为402.53 m（P=0.2%）。由于本工程电站厂房承受的最大水头为61.83 m，相当于挡水建筑物的中型大坝，而厂房结构要满足机电设备的布置要求，挡水结构不可能像重力坝一样设计成大体积混凝土结构，只能设计为薄壁墙体结构，而且由于厂房尾水水位较高，厂房基底的扬压力也相应较高，从而加大了厂房整体结构、下游挡水结构设计难度和风险，因此非常有必要对厂房下游尾水闸墩及尾水边墙进行结构受力计算。

2 计算方法与步骤

2.1 计算方法

尾水挡墙从大体积混凝土以上（发电机出线层370.7 m以上）有37.23 m作用水头，为保证下游挡水结构的安全可靠，采用长尾水闸墩与厚挡水墙联合受力的挡水结构，通过有限元法计算，复核厂房下游挡水结构是否满足规程规范要求。

厂房下游尾水闸墩及尾水边墙为复杂异形结构，根据《水工混凝土结构设计规范》（DL/T5057-2009），无法按杆件结构力学方法求得截面内力的钢筋混凝土结构，可由弹性力学分析方法求得结构在弹性状态下的截面应力图形，再根据拉应力图形面积，确定相应工况下所要求的钢筋数量。

当截面在配筋方向的正应力图形偏离线性分布较大时，受拉钢筋截面积As应按下式计算：

式中：T为由荷载设计值确定的主拉应力在配筋方向上形成的总拉力，N；TC为混凝土承担的拉力，N；fy为钢筋抗拉强度设计值，N/mm2；γd为钢筋混凝土结构的结构系数。

2.2 计算步骤

本计算采用CATIA 三维建模，导入Hypermesh进行网格剖分，然后采用Abaqus软件进行三维有限元计算，最后根据内力计算结果进行配筋计算。

3 计算模型及计算参数

3.1 计算模型

计算模型选取一个标准机组段（2#机组段）尾水闸墩及尾水挡墙建立分析模型，模型边界上部取尾水平台高程，下部从尾水闸墩底板以下取1 倍尾水闸墩高度的基岩，上、下游侧基岩取1倍尾水闸墩高度，为简化模型建立，只截取了厂房下游墙结构及相连接的部分楼板结构，计算模型选取闸墩右边墙的底板处为原点，横河向为X轴方向，顺河向为Y轴方向，竖直方向为Z轴方向，计算模型大部分为8节点6 面体C3D8R 单元，局部采用楔形体过渡，模型节点57 857个，单元48 648个，网格模型见图1，其中尾水闸墩及尾水挡墙采用精细化模型网格剖分。

图1 有限元网格模型

基岩底部为固端约束，其余侧面均为法向约束，考虑不同机组间设置分缝，尾水闸墩及尾水墙两侧均为自由，上游侧副厂房楼板考虑有沿竖直方向位移及转动，仅约束上、下游方向的位移。

3.2 计算参数

厂房基础分布地层为T2b1-2厚层、中厚层砂岩夹泥岩，根据地勘报告及规范要求，混凝土及基岩物理力学参数见表1。

表1 厂房及基岩物理力学参数建议值

4 计算成果分析

4.1 内力计算

经计算，尾水闸墩及尾水挡墙结构最大的拉应为2.31 MPa，发生在尾水闸墩的中部外侧，拉应力不大，可通过配置钢筋解决；最大压应力为4.90 MPa，位于挡水墙内侧与下部大体积混凝土拐角处，小于混凝土抗压强度；最大位移部位在结构顶部，最大位移值为13.2 mm，小于按排架柱计算的柱顶允许位移值（18 mm）。应力计算结果见图2、图3，变形计算结果见图4。

图2 最大主应力图（拉应力/Pa）

图3 最小主应力图（压应力/Pa）

图4 变形矢量图（m）

4.2 配筋计算

根据水工混凝土结构设计规范（DL/T5057-2009），无法按杆件结构力学方法求得截面内力的钢筋混凝土结构，可由弹性力学分析方法或实验方法求得结构在弹性状态下的截面应力图形，再根据拉应力图形面积，确定钢筋数量。本文使用有限元应力图形法进行配筋计算。

4.2.1 闸墩配筋验算

经验算，Z方向最大拉应力为2.31 MPa，出现在中间闸墩端头处，选取最危险的1-1截面（垂直Z轴方向，即配筋方向）进行配筋验算。其中，中墩拉应力最大，故选择中墩沿A-A路径计算闸墩截面的拉应力（见图5）。路径A-A的应力分布见图6。由AA 应力路径进行应力图形积分，可求得1-1 截面在竖直方向最大总拉力为T=1.628×104kN。

图5 闸墩配筋应力路径选择图

图6 A-A路径应力分布图

由图6可知，受拉区高度与截面高度比值h/H＞2/3，根据《水工混凝土结构设计规范》（DL/T5057-2009），弹性应力图形的受拉区高度大于结构截面高度2/3 时，由混凝土承担的拉应力Tc=0。因此，按式（1）计算受拉钢筋截面面积As，式中Tc=0，即：

4.2.2 尾水边墙配筋验算

Z方向最大拉应力出现在挡水墙中部，选取最危险的2-2 断面（垂直Z轴方向，即配筋方向）进行配筋验算，2-2断面沿B-B路径拉应力最大，故选择下游尾水边墙沿B-B 路径计算截面拉应力在Z方向的总面积(见图7）。路径B-B的应力分布见图8。由B-B 应力路径进行应力图形积分，可求得2-2截面在竖直方向最大总拉力为T=479.2 kN。

图7 挡水墙配筋应力路径选择图

由图8可知，受拉区与截面高度比值h/H＜2/3，根据《水工混凝土结构设计规范》（DL/T5057-2009），弹性应力图形的受拉区高度小于结构截面高度2/3，且截面边缘最大拉应力σmax为0.764 MPa，大于0.5ft，即σmax>0.5ft=0.55 MPa 时，需配置受拉钢筋。由混凝土承担的拉应力Tc=143.8 kN，按式（1）计算受拉钢筋截面面积As：

图8 B-B路径应力分布图

4.3 计算对比

将上述应力配筋计算结果与实际配筋量进行比较，可知实际配筋面积大于计算得到受拉钢筋截面面积（见表2），在竖直方向上实际配筋量偏安全保守。

表2 应力配筋与实际配筋结果比较表mm2

5 结论

（1）尾水闸及尾水挡墙结构最大的拉应为2.31 MPa，发生在尾水闸墩的中部外侧，拉应力不大，可通过配置钢筋解决；最大压应力为4.90 MPa，位于挡水墙内侧与下部大体积混凝土拐角处，小于混凝土抗压强度；最大位移部位在结构顶部，最大位移值13.2 mm，小于按排架柱计算的柱顶允许位移值（18 mm）。结果表明尾水闸墩及尾水挡墙产生的应力不大，可通过配置钢筋解决，产生的变形也在规范允许范围内，因此，尾水闸墩与尾水挡墙结构是安全可靠的。

（2）可采用有限元应力图形法进行配筋计算，在竖直方向上尾水闸墩和尾水边墙配筋面积分别为54 266.7、1 357.8 mm2，均远小于实际配筋面积，实际配筋量偏安全保守，今后设计中尾水闸墩和尾水边墙配筋量可结合实际运行观测数据进行优化。