泄洪洞岸塔式进口结构有限元分析及配筋探讨

李 艺

（中国电建集团城市规划设计研究院有限公司，广东 广州 511466）

1 结构简介

岸塔式进水口［1］为背靠岸坡布置，闸门设在塔形结构中，可兼作岸坡支挡结构的进水口。相对于引水隧洞的进水口，泄洪洞的进水口有流速大、受力情况复杂等特点。

某工程泄洪（放空）洞布置在左岸山体内，泄洪（放空）洞进口布置在溢洪道与大厂房进水口之间。泄洪（放空）洞进口采用岸塔式结构，塔基置于弱风化、弱卸荷花岗岩岩体上，局部强卸荷。塔体尺寸25.0 m×22.0 m×66.5 m（长×宽×高），塔体内设平板检修闸门一道。塔体两侧采用混凝土回填至一定高程，以加强塔体结构的整体性，增强塔体整体的抗震能力。

泄洪洞进水口边坡由坚硬的斜长花岗岩构成，总体较破碎，呈块裂～碎裂结构，边坡整体基本稳定，但浅表层岩体松动，卸荷强烈，稳定性差，存在小规模崩塌、滑移拉裂破坏型式。塔体结构及剖面形式见图1～3。

图1 塔体结构形式（单位：cm）

图2 塔体剖面一（单位：cm）

图3 塔体剖面二（单位：cm）

2 结构有限元计算分析

2.1 计算模型

2.1.1 模型及边界条件

选取整个进水塔作为计算模型［2］，计算模型的边界条件由以下几部分组成。

塔体部分。下部边界取至底板下表面；上部边界取至进水塔体顶部，计算中塔体模拟的总高度为66.5 m。

地基部分。向上游延长100 m，向下游延长约70 m；模型左右侧各向外取30 m；截断地基的总高度206.5 m。

约束条件。模型的约束条件为：在截断的岩体的四周边界施加法向约束、基础底部边界施加全约束。

塔体、地基及回填混凝土部分采用实体单元solid45模拟。模型共分为61 795个节点，55 524个单元。计算模型见图4～5。

图4 结构整体模型

图5 塔体离散模型（取一半）

2.1.2 计算参数

混凝土结构的强度等级均为C25。结构四周围岩按地质剖面图大致可划分为Ⅲ2、Ⅳ和V类。具体计算参数见表1。

表1 材料参数

工程场地地震基本烈度为Ⅷ度，结构按50年超越概率10%的地震水平加速度0.220 g进行设计。

2.2 计算工况及荷载

计算工况及荷载［3］组合见表2，计算计入的主要荷载有自重、静水压力、动水压力、扬压力、地震力［4］、温度应力等。

表2 计算工况及荷载组合

2.3 计算成果

2.3.1 位 移

Ux表示顺水流向位移、Uy表示垂直水流向位移、Uz表示竖向位移。顺水流向位移中正值表示顺水流向，负值表示逆水流向；垂直水流向位移中正值表示与规定Y轴正向相同（指向左岸），负值表示与规定Y轴正向相反（指向右岸）；竖直向位移中正值表示竖直向上，负值表示竖直向下。

（1）顺水流向位移Ux。各计算工况下，结构顺水流水平向位移Ux峰值见表3。

表3 结构顺水流水平向位移Ux峰值 单位：mm

（2）横水流向位移Uy。各计算工况下，结构横水流水平向位移Uy峰值见表4。

表4 结构横水流水平向位移Uy峰值 单位：mm

（3）竖向位移Uz。各计算工况下，结构竖向位移Uz峰值见表5。

表5 结构竖向位移Uz峰值 单位：mm

综上所述，从位移成果来看，塔体的位移场分布规律基本一致：综合位移的最大值均出现在塔顶上游侧角点处，结构综合位移表现出顺水流方向递减和沿高程递增的趋势。在完建+温降工况下，塔体的竖直方向位移最大，达到-13.371 mm。这主要是由于结构自重和混凝土温降收缩造成的。各工况下，塔体结构顺水流和垂直水流向的位移均不大，综合位移表现为以竖直方向的位移为主，结构的各向变形均不大，说明结构具有足够的刚度。各工况下塔体结构各向位移的最大值见表6。

表6 各工况位移极值汇总 单位：mm

2.3.2 应 力

混凝土应力计算成果大部分整理为整体直角坐标系下的应力分量，且约定拉应力为正值，压应力为负值，应力单位为MPa。σx为顺水流水平X向正应力，σy为横水流向Y向正应力，σz为竖直Z向正应力，σ1为第一主应力。

（1）底板应力。各计算工况下，结构底板应力峰值见表7。

表7 结构底板应力峰值 单位：MPa

（2）流道结构应力。各计算工况下，流道结构应力峰值见表8。

表8 流道结构应力峰值 单位：MPa

（3）闸门槽应力。各计算工况下，闸门槽应力峰值见表9。

表9 闸门槽应力峰值 单位：MPa

（4）胸墙应力。各计算工况下，胸墙应力峰值见表10。

（5）通气孔应力。各计算工况下，通气孔应力峰值见表11。

表11 通气孔应力峰值 单位：MPa

综上所述。在各工况下，塔体的应力场符合一般规律。施工完建+温降工况下，各部位出现较大拉应力。在温降工况下，由于混凝土材料与基岩材料的热膨胀系数的差异，塔体底板后部与塔背围岩交接处以及塔体结构内部边角点出现了较大的表层张拉应力，需关注塔体关键部位在温度作用下的应力变化。

通过以上应力计算成果可以看出：结构应力总体较小；温降工况下局部应力较大，但分布范围较小，应力梯度大。绝大部分拉应力均未超过混凝土结构抗拉强度设计值（见表12）。

表12 关键结构各工况第一主应力σ1值 单位：MPa

3 结构配筋计算

3.1 计算参数

（1）结构重要性系数γ0：按2级水工建筑物级别，取1.0；

（2）设计状况系数ψ：对应于持久状况、短暂状况、偶然状况，分别取1.0、0.95及0.85；

（3）钢筋混凝土结构系数γd：1.20；

3.2 结构配筋计算

3.2.1 底板结构

在完建+温降工况下，底板结构见图6～9。

图6 完建+温降工况底板顶层顺水流向正应力σx

图7 完建+温降工况底板底层顺水流向正应力σx

图8 完建+温降工况底板顶层横水流向正应力σy

图9 完建+温降工况底板底层横水流向正应力σy

根据计算结果可以看出，底板结构在完建+温降工况下拉应力较大。

底板顶层顺水流向单宽配筋计算：

AS=（0.567+0.428）*1.67/2*1.0（结构重要性系数）*1.2（结构系数）*0.95（设计状况系数）/360*106=2 630.95 mm2。

底板底层顺水流向单宽配筋计算：

AS=（1.30+0.480）*1.67/2*1.0（结构重要性系数）*1.2（结构系数）*0.95（设计状况系数）/360*106=4 706.62 mm2。

底板顶层横水流向单宽配筋计算：

AS=（1.37+0.605）*1.67/2*1.0（结构重要性系数）*1.2（结构系数）*0.95（设计状况系数）/360*106=5 222.23 mm2。

底板底层横水流向单宽配筋计算：

AS=（1.86+0.175）*1.67/2*1.0（结构重要性系数）*1.2（结构系数）*0.95（设计状况系数）/360*106=5 380.88mm2。

3.2.2 闸门槽结构

在正常蓄水位挡水+地震工况下，闸门槽结构见图10～13。

图10 正常蓄水位挡水+地震工况闸门槽顺水流向正应力σx（整体分布）

图11 正常蓄水位挡水+地震工况闸门槽顺水流向正应力σx（局部分布）

图12 正常蓄水位挡水+地震工况闸门槽横水流向正应力σy（整体分布）

图13 正常蓄水位挡水+地震工况闸门槽横水流向正应力σy（局部分布）

根据计算结果可以看出，闸门槽结构在正常蓄水位挡水+地震工况下拉应力较大。

闸门槽顺水流向配筋计算：

AS=0.852*1/2*1.0（结构重要性系数）*1.2（结构系数）*0.85（设计状况系数）/360*106=1 207 mm2。

闸门槽横水流向配筋计算：

AS=1.28*0.6/2*1.0（结构重要性系数）*1.2（结构系数）*0.85（设计状况系数）/360*106=1 088 mm2。

3.2.3 通气孔结构

在完建+温降工况下，通气孔结构如图14～15所示。

图14 完建+温降工况通气孔顺水流向正应力σx

图15 完建+温降工况通气孔横水流向正应力σy

根据计算结果可以看出，通气孔结构在完建+温降工况下拉应力较大。

通气孔顺水流向配筋计算：

AS=（0.612+0.151）*1.2/2*1.0（结构重要性系数）*1.2（结构系数）*0.95（设计状况系数）/360*106=1 449.7 mm2。

通气孔横水流向配筋计算：

AS=（2.14+1.55）*1/2*1.0（结构重要性系数）*1.2（结构系数）*0.95（设计状况系数）/360*106=5 842.5 mm2。

3.2.4 塔背混凝土

在完建+温降工况下，塔背混凝土结构见图16。

图16 完建+温降工况塔背混凝土横水流向正应力σy

从计算结果看，塔背混凝土在完建+温降工况下横水流向拉应力较大。

塔背混凝土横水流向配筋计算：

AS=（1.51+1.36）*1/2*1.0（结构重要性系数）*1.2（结构系数）*0.95（设计状况系数）/360*106=4 544.17 mm2。

3.2.5 边墙混凝土

在正常蓄水位挡水+地震工况下，边墙混凝土结构见图17。

图17 正常蓄水位挡水+地震工况边墙混凝土顺水流向正应力σy

从计算结果看，边墙混凝土在正常蓄水位挡水+地震工况下顺水流向拉应力较大。

边墙混凝土横水流向配筋计算：

AS=（0.892+0.281）*1/2*1.0（结构重要性系数）*1.2（结构系数）*0.85（设计状况系数）/360*106=1 661.75 mm2。

3.3 配筋计算结果

根据以上计算的各部位应力分布及配筋情况，整理出结构各部位建议配筋值，配筋［5］汇总见表13。

表13 配筋计算结果

4 结 论

岸塔式进水口结构由流道、胸墙、闸门、通气孔等复杂结构组成，因为背靠山体，其垂直高度较大，整体结构及受力情况较为复杂。采用三维有限元建模能够较好地模拟进水口及周围山体结构，并能通过三维有限元方法计算不同工况下结构的应力、应变情况。

通过对岸塔式进水口的有限元计算分析，结构整体位移、应力均较小，符合一般规律。结构在温降工况下，部分关键部位出现较大的拉应力，应加强这些部位的配筋。