溪洛渡拱坝3号、4号导流底孔预应力闸墩三维有限元分析

马 杰，姚 颖，周 雪，张建海，赵文光，尹华安

(1. 四川大学 水力学及山区河流开发与保护国家重点实验室，四川 成都 610065； 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

溪洛渡水电站拱坝的孔口布置采用了在12号至19号坝段布置7个表孔和8个深孔，以及10个导流底孔的方案。

3号、4号导流底孔位于410m高程，洞身断面5m×11m(宽×高)，出口设弧形闸门。出口闸墩最大悬臂长度约27.36m，闸墩最小厚度4.5m，闸墩外侧以与孔轴线3°的偏移量过渡到坝面。支撑大梁尺寸选定为5.0m×6.0m×5.2m(宽×高×厚)，沿厚度方向以4.76°的角度向内侧切角。悬臂结构施加预应力锚索，分主次锚索两种。主锚索(3 000kN)沿推力方向(向外侧旋转1°)在闸墩内布置4排，由内往外首排距闸墩内侧边缘1.20m，间距依次为0.30m、0.40m、0.30m，为环形布置对拉锚索；次锚索(上游2 000kN，下游3 000kN)施加于支铰大梁两端，沿推力方向布置2排，靠上游侧一排设置3根，靠下游侧一排设置5根，为直线布置对拉锚索。具体布置见图1和图2。

2 研究目的及原理

2.1 研究目的

由于拱坝整体应力水平较高，尤其是导流底孔位于坝体底部，在高应力区开设孔口，孔口附近会产生明显的应力集中或较高的拉应力，进而形成局部裂缝，对大坝的安全性造成不利影响[1]。导流底孔在封堵时，承受水头达200m，应力较大。孔口过流时，受较低水温的影响，温度应力也较为突出[2]。另外3号、4号底孔由于运行要求，出口设弧门结构，闸墩悬挑长度近30m，结构受力复杂。鉴于工程的重要性及问题的复杂性，对溪洛渡拱坝导流底孔闸墩结构进行应力分析十分重要。

图1 溪洛渡拱坝3号、4号导流底孔预应力闸墩剖面示意

图2 大梁部位剖面

当弧门开度Kd=0，弧门挡水后受到的巨大的水推力要通过弧形闸门的支臂传给弧门支承结构，其传力路径为：水压力→弧门面板→弧门支臂→弧门支座→闸墩→坝体[3]。同时闸门的启闭力、闸墩预应力和流道温度荷载，最终均传给坝体。因此闸墩和环形锚索附近坝体的应力状态成为关注重点。

2.2 次锚索的模拟

3号、4号导流底孔预应力闸墩的次锚索为直线型对拉锚索，上游侧锚索预应力为2 000kN，下游侧的预应力为3 000kN。对次锚索施加预应力时采用等效荷载法[4]，将次锚索模拟为杆单元，在锚索两端施加一对与预应力大小相等、方向相反且与锚索方向平行的集中力。这样，通过预应力锚索在闸墩内部产生的预压应力抵消了弧门推力产生的拉应力，使得最大拉应力降低到设计允许范围之内[5]。

2.3 主锚索的模拟

3号、4号导流底孔预应力闸墩的主锚索为环形对拉锚索，预应力为3 000kN。与两端固定的直线型锚索不同，环形锚索内侧缠绕在圆环上。本次计算将锚索对固定环的压力作用分解在若干个节点上，进行等效荷载移置。

如图3所示的环形锚索，设锚固吨位为T，固定半环的半径为r，则环段钢索作用于半环的压力P可如下计算：

dT=Psinθ·rdθ

(1)

(2)

图3 环形锚索的等效计算

P=T/r

(3)

对于环锚的两段直线部分，如图3中的AB段和CD段，模拟方法与直线型锚索相同。

本次计算取dθ=30°。

3 计算模型(见图4)

3.1 计算范围

溪洛渡拱坝三维有限元计算范围横河向以拱坝中心线为界，左、右岸分别向山里延伸530m，共计1 060m；顺河向以拱坝轴线为界，上游取170m，下游取540m，共计710m；铅直向底面取至0m高程，顶部取至610m高程。计算域共离散为168 990个节点和158 439个单元，计算域各边界切开面均取法向位移约束。有限元计算坐标系定义为：

X轴：横河向，由右岸山里水平指向左岸，轴线方位N41.8°E；

Y轴：顺河向，由下游水平指向上游，轴线方位N48.2°W；

Z轴：铅直向上，由底面指向山顶。

图4 溪洛渡拱坝三维有限元模型

3.2 计算参数

(1)自重：大坝混凝土容重取24kN/m3。

(2)静水压力：水重度取9.81kN/m3。

(3)温度荷载：设计温升及设计温降的均匀温度和线性温度见表1。坝体混凝土线膨胀系数：1.0×10-5/℃。

(4)弧门推力：如图5所示，弧门开度Kd=0时，弧门推力N=22 130kN，闸门启闭力S1=250kN。

(5)3号～4号闸墩预应力：闸墩主预应力锚索为3 000kN，上游侧3根次预应力锚索2 000kN，下游侧5根次预应力锚索3 000kN。

(6)岩体及结构面力学参数：见表2。

表1 设计高程封拱温度及温度荷载 ℃

注：Tm表示均匀温度；Td表示等效线性温差。

表2 坝区各类岩体力学指标计算采用值

图5 弧门推力和闸门启闭力示意

3.3 计算工况

本次研究选取对闸墩结构最不利的下闸封堵期，此时1号、2号、5号、6号孔由平板门挡水，3号、4号孔由弧形门挡水，荷载组合N+S1均施加，坝体浇筑高程610m，上游水位465m，下游水位332m，温度荷载只考虑流道过水，水温带来的温降ΔT=-8℃(影响范围12m)，闸墩预应力已施加。

3.4 剖面位置定义(见图6)

图6 3号、4号导流底孔剖面示意

4 计算结果及分析

由于3号、4号导流底孔对称分布，故只需计算对称结构的一半即可以反映出整个预应力闸墩的应力状态。另外弧门推力的作用对深孔结构上游悬臂应力状况的影响不大，但对深孔下游悬臂的应力有较大的影响[6]。故本文仅以3号孔为例分析出口闸墩段、环形锚索附近坝体以及支铰大梁的应力状态。

4.1 出口闸墩段应力分析

3号孔出口闸墩段剖面18、19主应力等值线如图7、8所示。可见，弧门开度Kd=0时，闸墩大部分区域处于受压状态，压应力极值为2.5MPa，出现在闸墩根部410m高程附近；在大梁附近区域出现应力集中，压应力极值约为3.0MPa。在闸墩顶面中部有极值为0.6MPa的拉应力，流道出口底部拉应力极值约为1.0MPa，在靠近大梁部位出现小范围拉应力区，极值约为1.2MPa。

4.2 环形锚索附近坝体应力分析

如图7、8所示，流道温降-8℃，施加弧门水推力时沿环形锚索区域外侧剖面(剖面18)主压应力极值为2.0MPa，位于流道出口415m高程处；主拉应力极值为1.4MPa，位于410m高程环形锚索外侧。与外侧剖面应力分布类似，内侧剖面(剖面19)主压应力极值为2.0MPa，位于出口415m高程处；主拉应力极值为1.4MPa，位于410m高程环形锚索附近。

4.3 支铰大梁应力分析

由3号孔支铰大梁剖面3(见图9)主应力等值线图可见，在支铰作用处有明显的应力集中，压应力极值为5.0MPa，在大梁下游侧出现了极值为1.1MPa的拉应力区。由剖面4(见图10)主应力分布可以看出，闸墩部位预应力锚索附近区域局部应力集中，压应力极值为2.2MPa，在闸墩大梁转角处则出现极值为1.5MPa的拉应力集中。

图7 3号孔出口闸墩段剖面18主应力等值线

图8 3号孔出口闸墩段剖面19主应力等值线

图9 3号孔支铰大梁剖面3主应力等值线

5 结 论

根据有限元计算结果，分析 3号、4号导流底孔出口闸墩悬臂结构的应力状态，可得以下结论：

(1)出口闸墩段大部分区域处于受压状态，压应力极值为3.0MPa，仅在闸墩顶面、流道出口底部和靠近大梁的局部范围内出现拉应力，最大拉应力为1.2MPa，满足设计要求。

图10 3号孔支铰大梁剖面4主应力等值线

(2)对比环形锚索附近坝体内、外侧剖面的应力状态，可见环形锚索对坝体应力的影响较小，环形锚索附近坝体最大压应力为2.0MPa，最大拉应力为1.4MPa，满足设计要求。

(3)支铰大梁由于受到最大水推力作用，在支铰作用处有明显的应力集中，压应力极值为5.0MPa；在大梁下游侧和大梁转角处局部出现拉应力集中，最大拉应力达1.5MPa，满足设计要求。

(4)整体来看，出口闸墩段、环形锚索附近坝体以及支铰大梁绝大部分区域处于受压状态，说明预应力锚索达到了预期效果，导流底孔预应力闸墩悬臂结构的设计是合理的。

[1] 朱双林，常晓林. 拱坝坝体及孔口有限元仿真分析[J]. 水科学与工程技术，2005(1)：9-12.

[2] 许朴，朱岳明. 宝应泵站肘形进水流道混凝土温度应力仿真分析[J]. 水利水电科技进展，2007，27(5)：56-58.

[3] 杨晓红. 高拱坝泄洪孔支承结构工作形态分析[D].南京： 河海大学，2005.

[4] 刘烈坤，傅少君，等. 小湾拱坝放空底孔预应力闸墩三维有限元分析[J]. 武汉大学学报(工学版)，2009，42(3)：340-343.

[5] 李守义，郭晓晶，等. 预应力锚固闸墩有限元分析研究[J]. 水资源与水工程学报，2007，18(6)：35-38.

[6] 李林峰，叶林，等. 拱坝坝身泄水深孔悬臂结构研究[J]. 水资源与水工程学报，2009，20(6)：140-144.