银珍水电站4号闸墩结构静力分析
2008-01-18 09:45:58 来源：
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电力18讯： 1 问题的提出
银珍水电站位于湖南省溆浦县境内沅水一级支流溆水下游，坝址控制流域面积3189km2，电站总装机2×6300kW。水库正常蓄水位146m，设计洪水位146．61m，校核洪水位148．55m，死水位143m，总库容3100万m3。挡水坝坝型为圬工重力坝，坝轴线总长为218m，其中非溢流坝段89m，坝顶高程149．94m，最大坝高24．94m；溢流坝段129m，设置9孔宽12m、高11．3m的钢质弧形闸门，堰顶高程135m。
4号闸墩顶部标高153．4m，总宽19．7m，闸墩厚度为2m，上游端头为半圆形，下游端为矩形，闸墩设计混凝土标号为C15，闸墩竖向配筋为16φ@250，并嵌入坝体约2m，横向配筋为φ12@250。
由于各种原因，现4号闸墩标高132m～135m及相应闸墩间溢流面部位出现了混凝土质量问题，表现为其一，凹陷深约5cm～25cm；其二，表面粗糙、缺浆，呈现出蜂窝、麻面；其三，钢筋出露及锈蚀；其四，砾石及砂浆分布不匀，露出钢筋，分原露和混凝土损坏出露两种情况。
1999年3月，湖南省水利水电工程技师检测中心站对4号闸墩采用声波、回弹、碳化手段，通过R－C－N综合计算和分析评定所检测混凝土的结构强度及质量，并提交了正式检测报告，主要结论为：1）标高132．5m～135．5m处的测试结果低值为15．5MPa，以0．9的折减系数计算所测部位混凝土强度为14MPa，不满足设计要求；2）从检测得到的标准差判断，混凝土强度不均匀；3）由于检测范围混凝土强度达不到C15标准，建议对整个闸墩进行设计验算。
针对上述问题，拟对4号闸墩进行结构静力分析。
2 计算方法及原理
目前，闸墩应力计算的方法很多，有模型试验法、材料力学法、弹性理论解析法、差分法、有限单元法及试荷载法等。作者采用美国Algor公司的有限元分析程序Super－SAP对4号闸墩进行了结构静力分析，取得了精度较高的结果。
有限元法是从20世纪50年代中期随着电子计算机的出现而产生的一种极其有效的偏微分方程的通用数值解法。在有限单元法中，通过剖分将连续体离散化为由许多单元在结点处连结而成的有限个单元的集合体，又通过插值将偏微分方程的解在每个单元内的分布用该单元结点上的值来表示，再应用变分原理（或应用加权余量法）建立用来确定各结点处解的数值大小的支配方程。是一种以电子计算机为工具的数值解法。
3 应力分析
3．1 模型构造
1）基本假定：在构造模型时，认为溢流坝体与基岩为固接，不会产生相对位移；同时认为50号浆砌块石为均质的弹性材料；并把闸墩上游端半圆形处理成矩形。
2）网格划分：模型的纵向长度取溢流坝两沉降缝间14m，溢流坝体划分为1100个单元，闸墩划分为972个单元，两边牛腿划分为4个单元，共计2076个单元，约10000个单元结点（见图1）。
3）材料分区及参数：根据4号闸墩的混凝土检测报告及溢流堰设计图，划分为闸墩C15混凝土区、闸墩C10混凝土区、溢流堰C15混凝土区和50号浆砌块石区，其中闸墩C10混凝土区为闸墩局部损坏区，见图2。材料力学参数见表1。
3．2 主要工况应力成果分析
本次对4号闸墩进行了2种工况的结构静力分析，2种工况为正常运行期（Ⅰ）和正常运行期（Ⅱ）。根据质量检测报告要求，对闸墩进行了3个剖面的应力计算，3个剖面为闸墩左侧表面、中心剖面、右侧表面。
Super－SAP程序分析成果主要采用应力～颜色对应图、应力等值线图和表格法等3种方法表示。因篇幅有限，本文仅介绍应力等值线图和表格法，计算中采用右手直角坐标系：x方向指向下游，y方向为竖直向上，z方向为坝轴线方向。
3．2．1 正常运行期（Ⅰ）的成果分析
上游水位146．0m、上游水位130．2m且闸墩两侧弧形闸门同时关闭时为正常运行期（Ⅰ）工况。荷载包括溢流堰和闸墩自重、上下游对溢流堰水压力、上游淤沙压力、上游对闸墩水压力、弧形门传给闸墩牛腿的压力及扬压力。此时闸墩受对称荷载作用，受力较均匀。在标高130m～139m范围内的3剖面应力值见表2。
根据各部位混凝土实测强度及相应抗拉强度、计算最大主应力等资料，按《水工混凝土结构设计规范》DL／T－5057－1996（以下简称《规范》）进行应力对比分析，在正常运行期（Ⅰ）工况下，各部位混凝土均满足抗拉要求，即σ0＜0．5ft（ft为混凝土抗拉强度设计值），见表3。
3．2．2 正常运行期（Ⅱ）的成果分析
上游水位146．0m、下游水位130．2m且闸墩右侧弧形闸门关闭、左侧开启泄流时，即为正常运行期（Ⅱ）工况，荷载包括溢流堰和闸墩自重、左侧闸门全开时弧形门上游水对闸墩的侧向压力、左侧闸门全开时弧形门自重对牛腿的力、右侧闸门关闭时弧形门上游水对闸墩的压力和右侧闸门关闭时水对弧门的压力。闸墩在此工况下处于偏心受拉状态，右侧受拉，左侧受压，此为最不利工况。在标高130m～139m范围内的3剖面应<
银珍水电站位于湖南省溆浦县境内沅水一级支流溆水下游，坝址控制流域面积3189km2，电站总装机2×6300kW。水库正常蓄水位146m，设计洪水位146．61m，校核洪水位148．55m，死水位143m，总库容3100万m3。挡水坝坝型为圬工重力坝，坝轴线总长为218m，其中非溢流坝段89m，坝顶高程149．94m，最大坝高24．94m；溢流坝段129m，设置9孔宽12m、高11．3m的钢质弧形闸门，堰顶高程135m。
4号闸墩顶部标高153．4m，总宽19．7m，闸墩厚度为2m，上游端头为半圆形，下游端为矩形，闸墩设计混凝土标号为C15，闸墩竖向配筋为16φ@250，并嵌入坝体约2m，横向配筋为φ12@250。
由于各种原因，现4号闸墩标高132m～135m及相应闸墩间溢流面部位出现了混凝土质量问题，表现为其一，凹陷深约5cm～25cm；其二，表面粗糙、缺浆，呈现出蜂窝、麻面；其三，钢筋出露及锈蚀；其四，砾石及砂浆分布不匀，露出钢筋，分原露和混凝土损坏出露两种情况。
1999年3月，湖南省水利水电工程技师检测中心站对4号闸墩采用声波、回弹、碳化手段，通过R－C－N综合计算和分析评定所检测混凝土的结构强度及质量，并提交了正式检测报告，主要结论为：1）标高132．5m～135．5m处的测试结果低值为15．5MPa，以0．9的折减系数计算所测部位混凝土强度为14MPa，不满足设计要求；2）从检测得到的标准差判断，混凝土强度不均匀；3）由于检测范围混凝土强度达不到C15标准，建议对整个闸墩进行设计验算。
针对上述问题，拟对4号闸墩进行结构静力分析。
2 计算方法及原理
目前，闸墩应力计算的方法很多，有模型试验法、材料力学法、弹性理论解析法、差分法、有限单元法及试荷载法等。作者采用美国Algor公司的有限元分析程序Super－SAP对4号闸墩进行了结构静力分析，取得了精度较高的结果。
有限元法是从20世纪50年代中期随着电子计算机的出现而产生的一种极其有效的偏微分方程的通用数值解法。在有限单元法中，通过剖分将连续体离散化为由许多单元在结点处连结而成的有限个单元的集合体，又通过插值将偏微分方程的解在每个单元内的分布用该单元结点上的值来表示，再应用变分原理（或应用加权余量法）建立用来确定各结点处解的数值大小的支配方程。是一种以电子计算机为工具的数值解法。
3 应力分析
3．1 模型构造
1）基本假定：在构造模型时，认为溢流坝体与基岩为固接，不会产生相对位移；同时认为50号浆砌块石为均质的弹性材料；并把闸墩上游端半圆形处理成矩形。
2）网格划分：模型的纵向长度取溢流坝两沉降缝间14m，溢流坝体划分为1100个单元，闸墩划分为972个单元，两边牛腿划分为4个单元，共计2076个单元，约10000个单元结点（见图1）。
3）材料分区及参数：根据4号闸墩的混凝土检测报告及溢流堰设计图，划分为闸墩C15混凝土区、闸墩C10混凝土区、溢流堰C15混凝土区和50号浆砌块石区，其中闸墩C10混凝土区为闸墩局部损坏区，见图2。材料力学参数见表1。
3．2 主要工况应力成果分析
本次对4号闸墩进行了2种工况的结构静力分析，2种工况为正常运行期（Ⅰ）和正常运行期（Ⅱ）。根据质量检测报告要求，对闸墩进行了3个剖面的应力计算，3个剖面为闸墩左侧表面、中心剖面、右侧表面。
Super－SAP程序分析成果主要采用应力～颜色对应图、应力等值线图和表格法等3种方法表示。因篇幅有限，本文仅介绍应力等值线图和表格法，计算中采用右手直角坐标系：x方向指向下游，y方向为竖直向上，z方向为坝轴线方向。
3．2．1 正常运行期（Ⅰ）的成果分析
上游水位146．0m、上游水位130．2m且闸墩两侧弧形闸门同时关闭时为正常运行期（Ⅰ）工况。荷载包括溢流堰和闸墩自重、上下游对溢流堰水压力、上游淤沙压力、上游对闸墩水压力、弧形门传给闸墩牛腿的压力及扬压力。此时闸墩受对称荷载作用，受力较均匀。在标高130m～139m范围内的3剖面应力值见表2。
根据各部位混凝土实测强度及相应抗拉强度、计算最大主应力等资料，按《水工混凝土结构设计规范》DL／T－5057－1996（以下简称《规范》）进行应力对比分析，在正常运行期（Ⅰ）工况下，各部位混凝土均满足抗拉要求，即σ0＜0．5ft（ft为混凝土抗拉强度设计值），见表3。
3．2．2 正常运行期（Ⅱ）的成果分析
上游水位146．0m、下游水位130．2m且闸墩右侧弧形闸门关闭、左侧开启泄流时，即为正常运行期（Ⅱ）工况，荷载包括溢流堰和闸墩自重、左侧闸门全开时弧形门上游水对闸墩的侧向压力、左侧闸门全开时弧形门自重对牛腿的力、右侧闸门关闭时弧形门上游水对闸墩的压力和右侧闸门关闭时水对弧门的压力。闸墩在此工况下处于偏心受拉状态，右侧受拉，左侧受压，此为最不利工况。在标高130m～139m范围内的3剖面应<
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