溪仔口水电站泄水闸闸墩结构复核分析

邓晓娟

（福建安澜水利水电勘察设计院有限公司,福建 龙岩 364000）

泄洪建筑物是水电站中的重要组成部分,泄水闸是泄洪建筑物中的常见型式。为调节水库蓄水量和下泄流量,水电站中的泄水闸设有闸门,而泄水闸孔两侧的闸墩就成为支撑闸门及启闭设备、分隔孔口、泄洪导流的重要结构,该结构的安全性是保障水电站安全有效运行的关键[1-2]。材料力学法是水闸设计规范中规定采用的计算方法,该方法有长期的实践经验和多年的工程实践证明,应用此方法并按规定的指标进行水闸设计或复核,可以保证工程的安全[3-4]。但闸室存在着闸墩较高、基础复杂等特点,传统材料力学法对边界条件考虑简单,无法准确描述闸墩关键部位的受力和变形情况[5],因此需要在传统计算方法外辅以三维有限元方法进行校核补充。本文针对福建省溪仔口水电站泄水闸闸墩结构,采用材料力学法和三维有限元法在闸墩处于最不利工况下进行静力计算分析。

1 工程概况

溪仔口水电站泄水闸坝段布置在河床中部设7 个开敞式溢流孔,泄水闸共8 个闸墩,其中边墩2 个,中墩6 个,每孔净宽15.0 m,闸墩厚2.5 m,溢流段总长125.0 m,其工程布置见图1。溢流堰采用驼峰堰,堰顶高程156.5 m,闸室长29.3 m。溢流堰下游采用底流与面流相结合的消能方式。河道中部的3#、4#、5#孔为先启孔,采用底流消能,闸下游设消力池,池长30.0 m,池深2.0 m；其余4孔为后启孔,为保护坝基设短护坦,护坦长度12 m。溢流孔采用弧门挡水,弧门尺寸为15.0 m×11.3 m（宽×高）,半径1.25 m,由后拉式卷扬机启闭操作。弧门前设叠梁检修门,由坝顶门机启闭。闸室顶设交通桥和启闭房,桥面高程为173.0 m。泄水闸底板采用混凝土C20,在上层表面和上下游垂直面配筋,顺水流方向为Ф16@200,垂直水流方向为Ф12@300,其底层未配筋。闸底板顶面上游段高程为156.0 m,堰顶高程为156.5 m,下游段为155.0 m,底板上下游分别设齿槽,底高程均为151.5 m,中间段底面高程为154.0 m, 底板最小厚度为1.5 m；闸墩采用C20 砼,墩顶高程为173.0 m,底高程同闸底板为154.0 m,墩高为19.0 m。

图1 溪仔口水电站泄水闸工程布置图

2 材料力学法计算结果与分析

2.1 计算断面及计算工况

闸墩结构按材料力学法进行计算时,将闸墩视作固接于闸底板的悬壁梁。考虑到闸墩顺水流方向惯性矩较大,垂直水流方向惯性矩较小,且正常运行工况、设计洪水工况及校核洪水工况下,中墩左右侧水位相差不大。只有在检修工况下,中墩一侧工作门挡水、一侧检修门挡水情况下受侧向水压力和弧形闸门支铰侧向推力,故中墩不利工况为检修工况。

边墩计算时考虑到靠厂房侧止水设在坝下0-001.500 位置,闸墩下游侧不设止水。边墩受力不利工况为正常运行工况下,承受弧形闸门支铰侧向推力及工作门上游侧向水压力,检修工况下承受检修门上游侧向水压力,由于在正常运行工况下边墩承受侧向压力最大,故边墩按正常运行工况进行计算。

2.2 闸墩弯矩及配筋计算

闸墩受到总侧向弯矩,考虑由闸墩整体来承担。闸墩总侧向弯矩计算为M=（M1+M2）/L,其中M1为闸墩侧向水压力产生的弯矩；M2为闸墩弧门支铰推向闸墩力产生的弯矩；L为闸墩纵向长度。闸墩侧向水压力计算为P = YH2/2,其中Y为水的容重,kN/ m3；H为闸墩侧向水头,m。正常蓄水位工况下弧门支铰推向闸墩的推力F为1000 kN。经过计算,中墩在检修工况下,单宽中墩受到侧向弯距M为1196.7 kN·m,按承载能力极限状态进行计算,单宽闸墩钢筋截面积Ag为19.78 cm2,中墩竖向受力钢筋应选用Φ16＠100,其截面积Ag为20.11 cm2,其配筋率为0.08%。原设计中墩竖向受力钢筋为Φ22＠200,其截面积Ag为19.00 cm2,故中墩现有的侧向钢筋满足各工况下结构受力要求。

边墩在正常运行工况下,靠泄水闸侧承受弧形闸门支铰侧向推力及侧向水压力,单宽边墩受到侧向弯矩M=1589.4 kN·m,按承载能力极限状态进行计算,单宽闸墩钢筋截面积Ag为26.39 cm2,边墩靠闸门侧竖向受力钢筋应选用Φ20＠100,其截面积Ag为31.42 cm2,其配筋率为0.128%。边墩现有的侧向钢筋为Φ16＠100,其截面积Ag为20.11 cm2,故不满足正常运行工况下闸墩结构受力要求。

按照《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）的规定,闸墩最小配筋率为0.15%,对应单宽闸墩钢筋截面积Ag为36.75 cm2,当中墩及边墩均选用钢筋Φ22＠100,其截面积Ag为38.01 cm2时方能满足工程要求。

3 有限元计算结果与分析

3.1 计算模型和参数

为更真实地计算闸墩的工作性状,采用有限元计算程序ALGOR对闸墩进行数值模拟。将溪仔口水电站泄水闸闸室作为一个整体考虑,并根据实际设计方案及所研究问题对计算模型进行相应简化,闸室中墩计算模型见图3,模拟范围包括闸墩、牛腿和两边的闸坝段,其坐标系中x轴为顺着河流方向,y轴为坝高垂直向上,z轴为顺着坝轴线左岸指向右岸。为保证较精确地模拟,对地基范围进行延伸,包括向上游延伸35 m、向下游延伸45 m,基岩的底部和上下游侧均为三向全部约束。有限元的基本单元采用六面体网格,其节点数为9935个,混凝土单元数为1346个,地基单元数为6224个。计算模型中的材料参数见表1。

表1 计算模型材料参数

图3 闸室中墩计算模型

3.2 工况与荷载

与上一节材料力学法对应,采用有限元法进行静力结构计算时同样考虑最不利工况,相应的工况见表2。

基本荷载如下：正常蓄水位167.5 m,荷载有墩自重、支铰三向作用力和闸墩侧向水压力。 根据金属结构提供的支铰受力计算成果并经坐标转换,工作闸门挡水时静水状态下支铰侧向力H为1000 kN, 垂直铰座底面的力N为5708.8 kN,平行铰座底面的力S为403.3 kN。检修门上游中墩两侧都有侧面水压力,检修门和工作弧门之间的中墩侧面水压力由工况来定。

3.3 中墩计算成果分析

工况一（右侧工作闸门挡水,左侧检修闸门挡水）变形前模型和变形后模型见图4,由图4可见,在右侧支铰处不对称荷载作用下,中墩受力后产生扭曲,闸墩的下游侧偏向左边,最大位移6.5 mm,位于坝顶的下游端部。

图4 中墩变形前模型和变形后模型（位移扩大1000倍）

工况一的中墩最大主应力见图5（a）,最小主应力见图5（b）。由图可见,牛腿支铰受力处有应力集中现象,牛腿的拉应力比附近闸墩的应力大几倍,最大主拉应力7.61 MPa,最大主压应力4.22 MPa,都位于牛腿支铰受力部。闸墩最小主应力见图6,由图6可见由于中墩受力后产生扭曲,在闸墩左侧下游底部主拉应力最大,大小为4.98 MPa,拉应力主要是由支铰的不对称作用力造成的。

图5 中墩工况一主应力图（Pa）（压应力为正）

图6 闸墩最小主应力图（Pa）（压应力为正）

工况二（中墩两侧工作闸门挡水）的中墩最大主应力见图7（a）,最小主应力见图7（b）。由图可见,牛腿支铰受力处有应力集中现象,牛腿的拉应力比附近闸墩的应力大几倍,最大主拉应力7.49 MPa,最大主压应力4.31 MPa,都位于牛腿支铰受力部。闸墩最大主拉应力在牛腿附近,其值为2.77 MPa。

图7 中墩工况二主应力图（Pa）（压应力为正）

3.4 边墩计算成果

工况一（工作闸门挡水）的边墩最大主应力见图8（a）,最小主应力见图8（b）。由图8可见,牛腿支铰受力处有应力集中现象,牛腿的拉应力比附近闸墩的应力大几倍,最大主拉应力7.60 MPa,最大主压应力4.23 MPa,都位于牛腿支铰受力部。由于边墩受力后产生扭曲,在边墩背水流侧下游底部主拉应力最大,大小为4.99 MPa,拉应力主要是由支铰的不对称作用力造成的。

图8 边墩工况一主应力图（Pa）（压应力为正）

工况二（边墩泄洪）的边墩最大主应力见图9（a）,最小主应力见图9（b）。由图可见,最大主拉应力3.42 MPa,位于上游坝踵；最大主压应力1.75 MPa,位于闸底板附近。

图9 边墩工况二主应力图（Pa）（压应力为正）

由计算结果分析可知闸墩和坝体溢流面相交的底部应力相对较大,闸墩底部的垂直向配筋是配筋的一个重点。根据SL 191-2008 的非杆件体系钢筋混凝土结构的配筋计算原则进行配筋,取闸墩下游端拉应力区计算,垂直向受力断面配筋面积为87.90 cm2,建议垂直向受力钢筋为Φ25@150。由此可见,三维有限元法相比于传统的材料力学法,两者计算结果基本接近。

4 结语

本文主要针对溢流坝闸墩结构,采用材料力学法和三维有限元法,分别计算闸墩结构在中墩和边墩处于最不利工况下的受力分析和配筋计算。材料力学法计算认为中墩及边墩竖向受力钢筋均应选用钢筋Φ22＠100,而三维有限元法计算认为应选用钢筋Φ25＠150,两种方法计算结果基本接近。原设计中闸墩垂直向配筋为Φ16@100,不满足结构受力要求。