基于ANSYS 的四川岷江犍为航电枢纽工程泄水闸结构分析

王闺臣，杜 欢，余小华，刘 杰

（1.四川交通职业技术学院，四川 成都 610000；2.四川恒捷路通工程技术咨询有限公司，四川 成都 610000；3.四川济通工程试验检测有限公司，四川 成都 610000）

犍为航电工程位于四川省乐山市犍为县境内，是乐山市第一农业大县，工业基础较薄弱，发展速度相对较慢。通过岷江（乐山～龙溪口）梯级航电工程的建设，除促进乐山、宜宾市的经济和水路旅游发展外，也是带动犍为县经济和乡村旅游发展、加快犍为县第三产业的快速发展的需要。犍为航电工程综合开发可完善农业灌溉网络和乡镇供水设施，使库区河段获得充足水量，保障农田灌溉和生活用水的供水条件，有利于促进当地的农业发展。

1 工程概述

岷江犍为航电枢纽工程位于岷江下游乐山市犍为县境内，是规划的岷江乐山至宜宾162 km 长河段航电六级开发方案的第3 级。工程开发任务为以航运为主、结合发电，兼顾供水、灌溉，并促进地方经济社会发展。根据泄洪的要求，20年一遇泄流量需达到36100 m3/s，100年达到49400 m3/s，1000年校核的洪量达到69000 m3/s。根据泄流量、地形地质、泥沙等情况综合考虑，挡泄建筑物采用平底闸的结构。闸门经过平板门和弧形门的比较、经过不同孔口宽度的比较，并结合水工模型试验成果，推荐采用28 孔泄水闸，每孔15 m 净宽，堰顶高程317.0 m，平板闸门的型式泄水闸溢流堰堰顶高程为317.00 m，挡水高度18.0 m；溢流堰面中部为水平直线段，上游以抛物线与竖直线连接，抛物线方程（x/7）2+(y/2)2=1，下游则以1∶3 的斜坡与消力池相连。闸墩主体长25.25 m，左岸20 个闸段（1#～20#）底板厚5 m，底面高程312.00 m 上、下游齿墙各深5 m，齿墙底高程307.00 m；右岸7 个闸段（21#～27#）底板厚8 m，底面高程309.00 m，上、下游齿墙各深4m，齿墙底高程305.00 m。在闸室底板上游部分设置灌浆排水廊道。底板顺水流向长度为30.5 m。

2 泄水闸结构计算

泄水闸部分的结构应力计算采用ANSYS 三维计算[1]。根据布置及分缝情况，分别计算两个坝段，包括1# 坝段和中间典型坝段。

2.1 中间典型坝段（3#～25# 坝段）

（1）计算工况及相应水位情况

犍为水电站上游库水位、下游水位和水荷载计算条件见表1。

表1 犍为水电站上游库水位和下游水位

（2）计算参数见表2。

表2 混凝土基本力学参数

配筋计算钢筋选用HPB300，强度设计值fy=fy′＝300N/mm2。基岩按照地质分层及地质建议值指标。

（3）计算模型

采用三维实体全六面体单元模拟泄水闸及地基，见图1。有限元模型共有单元13394 个，结点16184 个。

图1 泄水闸典型坝段整体网格示意图

（4）计算结果

①位移结果

从表3 来看，各种工况下最大顺水流向位移为6.063 mm，出现在地震工况泄水闸闸墩顶部。各种工况最大铅直向位移为5.997 mm（向下），出现在地震工况泄水闸闸墩下游顶部，见图3。除一侧检修工况外，各种工况最大坝轴向位移左右基本对称，但一侧检修工况最大坝轴向位移为6.924 mm，位于泄水闸闸墩上游顶部，见图4。就泄水闸整体结构而言，泄水闸各个方向位移分布连续均匀。由于地震具有鞭梢效应等特性，地震工况的位移相对一般工况较大；在一侧检修工况，由于左右侧水压力很不平衡，泄水闸坝轴向位移较大。

表3 泄水闸整体三向位移范围 单位:mm

图2 地震情况泄水闸整体顺水流向位移云图（单位：m）

图3 地震情况泄水闸整体铅直向位移云图（单位：m）

图4 一侧检修情况泄水闸整体坝轴向位移云图（单位：m）

②应力结果

各种计算工况下泄水闸整体三向最大拉应力，见表4，应力等值线云图见图5～图7。

表4 泄水闸（中间坝段）整体三向应力峰值 单位:MPa

图5 正常蓄水位情况泄水闸整体顺水流向应力云图（单位：Pa）

图6 一侧检修情况泄水闸整体铅直向应力云图（单位：Pa）

图7 正常蓄水位情况泄水闸整体坝轴向应力云图（单位：Pa）

从泄水闸整体三向最大拉应力和应力等值线图来看，泄水闸顺水流向拉应力主要分布在闸墩顶部、门槽和闸基底部附近，分布范围和最大拉应力都不大。

在一侧检修工况，闸墩右侧底部附近分布较小范围的拉应力，最大值为1.0 MPa，其余工况和部位基本上无铅直向拉应力分布。坝轴向拉应力主要分布在闸基底面中部（沿闸墩分布）和闸门附近，最大值为0.41 MPa。

泄水闸的顺水流向和坝轴向的压应力较小；铅直向压应力较大，最大值为2.29 MPa。从泄水闸应力分布情况来看，泄水闸的设计是合适的。

2.2 边坝段（1# 坝段）

（1）计算模型

1#坝段计算模型见图8。

图8 1#坝段计算模型

（2）计算工况

同中间坝段。

（3）计算结果

经过计算分析，检修工况为控制工况。一个是1#孔正常挡水，2#孔检修（检修工况1）；另一种情况是1#检修，2#孔正常挡水（检修工况2）。由于变形过大，1# 墩止水需布置在下0+013.30。

从图9～图16 中可以看出，在检修工况下，由于上游水压力较大，并且伴有侧向水压力差，闸墩顶部有较大的位移（最大9.2 mm）。而在门槽部位、闸墩底部产生较大的应力集中，经过配筋计算分析，一般配筋在5Φ25 左右，结构布置比较合理。

图9 检修工况1 位移总图

图11 SY 拉应力（单位:Pa）

图12 SZ 拉应力（单位:Pa）

图13 总体位移图（单位:m）

图14 SX 拉应力（单位:Pa）

图15 SY 拉应力（单位:Pa）

图16 SZ 拉应力（单位:Pa）

3 结语

泄水闸作为主要利用闸门挡水的低水头泄水建筑物，由闸室和上下游连接段组成，是水利工程的重要建筑物。泄水闸结构应力的计算分析对电站枢纽工程的运行安全十分重要。通过上文分析，岷江犍为航电枢纽工程泄水闸中间典型坝段（3#～25#坝段）地震工况的位移相对一般工况较大；在一侧检修工况下，由于左右侧水压力很不平衡，泄水闸坝轴向位移较大。

从泄水闸应力分布情况来看，泄水闸的设计是合适的。边坝段（1#坝段）在检修工况下，由于上游水压力较大，并且伴有侧向水压力差，闸墩顶部有较大的位移，而在门槽部位、闸墩底部产生较大的应力集中，经过配筋计算分析，一般配筋在5Φ25左右，结构布置比较合理。