门槽充水对塔式进水口工作性态的影响研究

周小姿，周清勇，郝昌言

（1.上饶市国控水利水电工程建设监理有限公司，江西 上饶 334001；2.江西省水利科学院，江西 南昌 330029）

坝下涵管作为土石坝工程主要输水建筑物，在水利工程中被广泛应用。坝下涵管进水口分为斜坡式和塔式。斜坡式进水口优点是建筑物结构简单、施工方便，由于其卧管内的水流为无压流，可以使用浆砌石块、条石来修建，可就地取材，降低造价；其缺点是孔口较多，容易漏水，且闸门运用管理不便，对引水流量不易准确控制。塔式进水口有3种布置方式：第一种布置方式是将塔布置在坝体内靠近坝顶附近，其优点是塔身受风浪、冰冻的影响小，稳定性好，产生不均匀沉陷和断裂的可能性小，交通桥短，其缺点是由于塔身位于坝体中部，如果塔身与涵管结合处漏水，将会引起坝体渗透变形，而且塔的上游侧涵管检修不便，塔的下游侧较短，可能会出现渗径不足；第二种布置方式是将塔布置在上游坝脚处，其优缺点与上述布置恰恰相反；第三种布置方式是将塔设在前述2 种位置之间，由于这种方式容易造成塔身与斜墙防渗体结合部的漏水，因此这种方式不适用于斜墙坝[1-4]。

在进行工程设计时，如果检修平台高程低于设计洪水位和校核洪水位，当启闭竖井塔柱结构遭遇设计洪水位甚至校核洪水位时，竖井内工作门槽及检修门槽将会充水，此时结构受力状态与常水位下存在差异，需要进行专项讨论[5，6]。本文采用有限元法对某工程坝下涵管进水口启闭竖井进行仿真分析，通过合理的分组划分竖井结构单元，充分考虑工程在不同运行工况不同水位下承载面的差异，系统分析门槽充水对坝下涵管塔式进水口工作性态的影响，以期为进水口启闭竖井施工设计提供可靠的理论依据。

1 工程概况

某工程主要挡水建筑物为土石坝，坝下涵管进口启闭竖井布置在坝体上游基岩上。工程检修平台高程76.60 m，启闭平台高程80.80 m，正常蓄水位76.31 m，50 a 一遇设计洪水位77.13 m，1 000 a 一遇校核洪水位77.60 m。当坝前水位超过检修平台时，水将沿着检修平台进入检修门槽及工作门槽，此时竖井结构将面临塔柱充水工况。

根据该工程坝下涵管进口启闭竖井布置形式，建立包括启闭竖井塔柱结构、门槽二期混凝土、闸门、通气孔、启闭机平台及顶部启闭机房模型，如图1 所示。模型共分8 组，节点数35 613 个，单元数28 584个，全部单元采用八节点六面体。

图1 某工程坝下涵管进口启闭竖井模型

2 材料参数及计算工况

2.1 材料参数

模型按设计图纸进行材料分区，仿真计算材料参数按照工程设计报告结合《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）混凝土标号建议值进行取值，详见表1。

表1 材料参数

2.2 仿真计算工况

本文主要围绕门槽充水对坝下涵管塔式进水口工作性态的影响展开研究。计算时在地基两侧施加法向固定约束，地基底部施加三向固定约束。仿真工作闸门运行工况及检修闸门运行工况下正常蓄水位及校核洪水位时塔式竖井结构的工作性态，详见表2。

表2 塔式竖井结构工作性态

3 仿真结果分析

3.1 位移结果影响分析

塔式进水口启闭竖井结构各工况位移计算结果云图，如图2—5所示。

图2 工况1位移分布

图3 工况2位移分布

图4 工况3位移分布

图5 工况4位移分布

从图2—5 可以看出，各工况下结构位移分布规律基本一致，检修闸门运行工况相对工作闸门运行工况位移更小。校核洪水位下，检修闸门门槽及工作闸门门槽内充满水体，此时结构各向位移均小于正常蓄水位工况，因此门槽充水对结构的稳定性具有增强作用。

3.2 应力结果影响分析

不同工况下启闭竖井结构主拉应力分布，如图6 所示。从图6 可以看出，结构主拉应力均较小，且远远小于《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）中C30 素混凝土强度标准值2.01 MPa，由此得出结构安全裕度较高。其中，启闭竖井整体主拉应力最大值位于启闭机梁底部；塔柱结构主拉应力最大值位于76.60 m平台检修闸门门槽二期混凝土处。

图6 启闭竖井结构主拉应力分布

塔式竖井结构工作性态分析结果最大值汇总，详见表3。由表3可知，工作闸门运行工况与检修闸门运行工况下结构应力分布规律一致，且主拉应力数值基本相同。校核洪水位下，检修闸门门槽及工作闸门门槽内充满水体，此时结构主拉应力小于正常蓄水位工况，因此门槽充水对结构的安全裕度具有增强作用。

表3 塔式竖井结构工作性态最大值汇总

4 结语

本文采用有限元法对某工程进行仿真分析，明确工作闸门运行工况及检修闸门运行工况下塔式进水口竖井结构的工作性态，分析门槽充水对塔式进水口工作性态的影响。研究结果表明，各工况下结构位移和应力分布规律基本一致，且数值均较小，结构安全裕度较大。校核洪水位下，检修闸门门槽及工作闸门门槽内充满水体，此时结构位移及主拉应力均小于正常蓄水位工况，因此门槽充水对结构的稳定性和安全裕度具有增强作用，但在设计时需对启闭机在门槽充水时的启闭能力进行重点复核。