石 磊，徐 轶，查志成

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010；2.国家大坝安全工程技术研究中心,湖北 武汉 430010）

针对混凝土重力坝或混凝土拱坝,除了在坝顶设置溢流表孔作为泄洪设施外,对于混凝土中高坝,还可以根据不同泄水功能要求,在坝身设置坝身泄水孔,坝身泄水孔可以根据不同泄洪要求,调节水库库水位；通常在混凝土坝坝身根据不同要求布置泄洪中孔、泄洪深孔、泄洪底孔等。

其中坝身泄水孔除了可以作为泄洪用途外,一部分坝身泄水孔可作为水库、水电站放空孔使用,此外,还有一部分可作为冲沙孔使用。

坝身泄水孔根据水压力分布的不同可以分为短有压泄水孔与长有压泄水孔两大类；对于长有压泄水孔,一般布置在坝身高程较低处,泄水过程中,作用水头以及孔内流速相对较高,当库水含沙量较大、或泄水孔频繁用做冲沙孔时,通常会在泄水孔内设置钢衬结构来避免泄水孔内壁磨损破坏。

坝身长有压泄水孔内设置钢衬结构,在施工及运行阶段,钢衬结构受力状况不同,使用材料力学方法很难获得钢衬结构应力计算结果,本文结合钢衬结构施工、运行完整流程,针对某水电站中孔钢衬结构,采用有限单元法对钢衬结构进行应力分析。

1 工程概况

某水电站项目大坝为碾压混凝土重力坝,最大坝高为131.0 m,坝顶高程为190.0 m,河床坝基建基面高程为59.0 m；水电站正常蓄水位为184.0 m,设计洪水位为185.68 m,校核洪水位为189.1 m；大坝坝身布置有2 孔泄洪中孔,为长有压泄水孔,孔口截面为矩形截面,孔身段截面尺寸为5 m×7 m（宽×高）,出口截面尺寸为5 m×6 m（宽×高）,底板高程为110.0 m；正常蓄水位下的下泄流量为2028.15 m3/s。中孔上游侧设置一道检修闸门,中孔出口处设置一道工作弧门；中孔结构断面图见图1。

图1 中孔结构布置断面图

水电站所处河流年平均悬移质为20.75×106t,年平均推移质输沙量为4.15×106t,年平均含沙量为0.734 kg/m3；水流泥沙含量较大,考虑到中孔泄洪时泥沙对孔壁冲刷等的不利影响,因此在中孔内设置一层Q345R 钢内衬,以起到对中孔内壁保护的作用。钢衬三维结构见图2。钢衬厚20.0 mm,为了使钢衬与混凝土很好的连接,在钢衬结构上,每隔1.5 m 布置一道加劲环,加劲环使用拉筋与中孔周边混凝土连接,拉筋规格为C25,钢衬顶部与底部加劲环拉筋均布置8 根,左右侧加劲环拉筋均布置14 根；为了排出钢衬外壁渗水,在钢衬外每间隔4 m 布置一道环绕钢衬外壁的环形排水盲沟。

图2 中孔钢衬结构三维轴侧图

2 计算工况分析

2.1 施工阶段

钢衬孔身段截面尺寸为5 m×7 m（宽×高）,在施工过程中,由于钢衬断面较大,周边混凝土的浇筑需要分仓浇筑,在浇筑两侧混凝土时,未达到初凝的流态混凝土对钢衬结构会产生不利影响,根据工程施工进度的需要,钢衬两侧混凝土分两仓浇筑,每仓浇筑层高为3.5 m。

此外,在钢衬周边混凝土浇筑施工完成后,进行钢衬底部回填灌浆施工,回填灌浆将会填充钢衬底部因振捣不密实而产生的空腔；在钢衬底板布置灌浆孔,对空腔进行回填,钢衬回填灌浆最大压力为0.1 MPa,灌浆压力将会对钢衬结构造成不利的影响。

2.2 运行阶段

水电站正常运用过程中,中孔所受的孔内水压力等外荷载由孔壁钢筋混凝土结构与钢衬联合承担,钢衬不但作为耐磨损结构,而且作为内水压力的直接作用对象,通过钢衬将中孔内水压力传递至中孔钢筋混凝土,中孔内水压力将对钢衬产生不利影响。

同时,考虑到钢衬与混凝土内壁可能存在接触不良以及裂缝的情况,在正常运用期间上游库水会通过坝体渗透进这些部位,导致钢衬出现外局部水压力的情况；虽然坝体混凝土渗透能力有限,但这种现象还是有可能发生。

在运行过程中,当中孔进行检修时,检修闸门将会启用,如果检修闸门后的钢衬外壁部位与上游水库存在连通性裂缝,将会使得钢衬外壁承受局部较大的外水压力。

在设计过程中采取了四种措施避免这种情况的发生；第一,在大坝上游部位的坝体中设置了坝体排水,降低库水的渗透作用；第二,钢衬上游端布置两道止水环,结合钢衬加劲环,很好地阻断上下游潜渗透通道；第三,在钢衬外侧每隔4 m 布置了一圈排水盲沟,以排出钢衬外壁少量的渗水；第四,钢衬最容易发生渗透通道的部位,往往是浇筑过程中很难振捣的部位,即钢衬底部与中孔底板混凝土接触部位,为了防止中孔底板渗透通道的发生,对钢衬底部进行回填灌浆。

因此,综合采用以上各种措施后,认为钢衬在运行过程中能较好地避免潜在渗透通道的产生,避免钢衬承受局部外水压力的情况。

2.3 计算工况

对施工阶段、运行阶段中孔钢衬所处环境进行综合分析,钢衬结构可能存在不利工况主要有3 种,施工阶段钢衬混凝土浇筑工况、施工阶段钢衬回填灌浆工况,以及正常运行阶段钢衬承受内水压力工况。钢衬有限元计算工况见表1。

表1 中孔钢衬有限元计算工况

3 有限元分析

3.1 计算模型

针对工况1 与工况2,选用检修闸门井与工作弧门之间较大的洞身钢衬段进行分析,该段沿水流方向长度为13.5 m,底孔截面高×宽=5 m×7 m,钢衬厚度为20 mm,每隔1.5 m 设置一道加劲环,加劲环厚度为2 cm,宽25 cm,建立壳单元模型,见图3。

图3 有限元计算模型（工况1、2）

针对工况3,选用检修闸门井与工作弧门之间较大的洞身钢衬段进行分析,选取沿上下游方向1.5 m 段建立钢衬与混凝土组合模型；钢衬截面高×宽=5 m×7 m,厚度为20 mm,外围混凝土厚度为5 m。采用solid185 单元进行模型离散,计算模型见图4。

图4 有限元计算模型（工况3）

3.2 计算荷载

根据施工要求,混凝土分两仓浇筑,工况1,两侧流态混凝土压力将分两个荷载步施加,当浇筑第二仓混凝土时,第一仓混凝土已经达到设计要求强度,对钢衬结构将是约束作用。

工况2 为回填灌浆施工工况,回填灌浆作业面在中孔底板部位,灌浆在钢衬底部进行开孔施工,灌浆压力均匀施加在钢衬底部外侧面。

工况3,主要承受运行期水荷载作用,按正常蓄水位184.0 m 进行设计,中孔底板高程为110.0 m,最大作用水头为74.0 m,按静水压力施加。

4 计算结果及分析

4.1 计算结果

经有限元计算,各工况钢衬应力极值的计算结果见表2。

表2 中孔钢衬应力极值表

4.2 应力分析

钢衬结构采用Q345R 钢板焊接而成,钢板的屈服强度（设计强度）为325 MPa。

（1）工况1 应力分析

工况1 最大主拉应力为156.0 MPa,发生在加劲环与钢衬焊接部位,最大主压应力为104.0 MPa,发生在两加筋环之间的钢衬中部,与中孔混凝土壁接触部位,计算得出的应力小于钢板的设计强度,故不存在强度破坏问题。

同时,钢衬加筋环的约束由加筋环上的拉筋提供,钢衬两侧加劲环上均布置有14 根拉筋,因此选取钢衬侧边加劲环上的应力路径以获得该部位钢筋的应力,该处沿应力路径上的应力分布见图5～图6,其中横坐标为长度（m）,纵坐标为应力（Pa）。

图5 第一加载步沿路径上的应力分布图

图6 第二加载步沿路径上的应力分布图

按最大拉应力为5417.973×103Pa 计算,拉筋承担的应力为86.1 MPa,远小于钢筋的抗拉强度420 MPa,工况1 应力满足强度要求。

（2）工况2应力分析

最大主拉应力为219.0 MPa,发生在两加筋环之间的钢衬底板中部的内壁及钢筋与加筋环焊接部位,最大主压应力为219.0 MPa,发生在两加筋环之间的钢衬中部的外壁。最大主拉、压应力小于钢板的设计强度,故不存在强度破坏问题。

同时,钢衬加筋环的约束由加筋环上的拉筋提供,钢衬底部加劲环上布置有8 根拉筋,因此选取底部加劲环上的路径以获得该部位钢筋的应力,该处沿应力路径上的应力分布见图7。其中横坐标为长度（m）,纵坐标为应力（Pa）。

图7 沿路径上的应力分布图

按最大拉应力为3456.909×103Pa 计算,拉筋承担的应力为59.0 MPa,远小于钢筋的抗拉强度420 MPa,工况2 应力满足强度要求。

（3）工况3 应力分析

最大主拉应力为16.4 MPa,发生在钢衬四角与加筋环焊接部位外壁,最大主压应力为16.4 MPa,发生在钢衬四角与加筋环焊接部位内壁。最大主拉、压应力小于钢板的设计强度,故不存在强度破坏问题。

综合各工况应力分析,钢衬的应力满足强度要求。

5 结语

混凝土坝坝身长有压泄水孔内设置钢衬,以保护孔壁结构,防止孔壁冲刷破坏；结合实际工程案例,通过详细分析长有压泄水孔内钢衬结构自施工至运行全阶段的控制工况,针对性地开展长有压泄水孔内钢衬结构有限元仿真分析,解决了钢衬结构应力计算的难题,根据计算,钢衬结构在各工况下的应力均满足强度要求；文中长有压泄水孔内钢衬结构的应力分析方法,可为国内外类似工程提供参考依据。