－１６・ 四川水利 ２０１７．Ｎｏ．４ 通江二郎庙水库泄洪放空隧洞竖井结构计算设计 权涛。岳程伟 （９）１１省水利水电勘测设计研究院规划设计分院，四川德阳，６１８０００） 【摘要】本论文主要针对通江二郎庙水库泄洪放空隧洞竖井的结构进行计算和分析，通过工作经验分析找出竖井 最不利的区域，并通过一维单元截梁法、二维有限元平面应力分析、三维有限元实体模型三种不同方式，根据杆件与非杆 件体系的钢筋混凝土结构的配筋计算原则，对最不利结构进行配筋，利用最不利处的钢筋样式通配整个竖井以达到配筋 的目的。通过对配筋计算－－ｊ－￣，：ｚ明显地看出：使用三维实体有限元模拟计算方法在竖井结构外形相同的情况下计算出的 钢筋用量明显少于其他两种方法。该方法的应用对竖井在设计中模型的建立以及计算配筋提供了一些参考和借鉴，对 减少施工工期和节约工程造价具有一定的积极意义。 【关键词】二郎庙水库竖井有限元配筋结构设计 中图分类号：ＴＶ３１４：ＴＶ６５１．３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：２０９５—１８０９（２０１７）０４—００１６—０５ １ 引言 通过对以往竖井结构发生的破裂灾害进行总 结，竖井的破坏形式表现特别突出的就是压缩特 起到一定的指导作用。 ２工程概况及竖井简介 二郎庙水库枢纽位于距巴中市通江县城 ４２ｋｉｎ的回林乡二郎庙村，地处小通江一级支流魏 家河上游，坝址以上控制流域集雨面积２８．５ｋｍ ， 是一座以灌溉为主，兼顾乡村供水等综合利用的 水利工程；水库正常蓄水位６９８．００ｍ，总库容 １２６８．００万ｍ ，兴利库容１ １２２。５０万ｍ ，设计灌 征，主要表现在：竖井井壁横向环状破裂，内层井 壁混凝土呈楔形块剥落，纵向力钢筋向井内部弯 曲以及水平环向箍筋间距减少，破裂位置多在覆 土层与基岩交界处附近，含水层水位有不同程度 的下降。竖井内层井壁混凝土呈块状脱落，这些 破裂出现位置多在软基与硬基交界处附近。一种 认为竖井变形破坏机理是水平应力在松散层与基 岩风化壳结合部附近井壁中的高度集中，这种作 用力可能来源于区域地震及新构造断裂运动所派 生的应力场等，强调新构造运动对竖井破裂的作 用；另一种认为纵向力是导致竖井变形破坏的主 因，即纵向应力在松散层与基岩风化壳接合部附 近壁中应力高度集中。当然，也与施工质量造成 井壁破坏有关。北京大学的毕思文根据竖井破坏 形态、时空展布特征和动力学过程，提出了竖井变 面０．６７ｈｍ 。工程属Ⅲ等（中型）工程，放空隧洞 等枢纽永久主要建筑物按３级设计。 二郎庙水库放空导流隧洞竖井闸室建基高程 ６４１．００ｍ，闸顶设计地面高程为７００ｍ。闸室地基 为新鲜的Ｊ３ｐ２一①层粉砂质泥岩，其能满足闸基 承载力及变形要求。闸门井高程６８０ｍ以上为 Ｊ３ｐ２一②砂岩，岩体较坚硬～坚硬，中厚层一厚层 状结构，围岩分类属Ⅲ类；高程６８０ｍ以下为Ｊ３ｐ２ 形破坏的“三因素综合破坏”观点，即地质体薄弱 部位，竖向负摩擦力和水平荷载的综合作用，这种 观点能够较符合实际地解释竖井变形破坏的本 质。竖井三因素综合破坏观点的提出不仅有助于 竖井失稳机理解释和预报，而且对设计施工也能 ①层粉砂质泥岩，岩性软弱，互层状～薄层状结 构，围岩分类属Ⅳ类。竖井的平台标高为 ７００．００ｍ，竖井底部标高为６４１．００ｍ，总高度为 ５９ｍ，竖井断面为矩形，采用全断面一次开挖，开 挖后用Ｃ３０的混凝土进行衬砌支护。 闸门竖井段紧靠进口段布置，竖井内设检修 闸门和工作闸门各一扇，检修闸门为平板钢闸门， 一２０１７．ＮＯ．４ 四川Ｉ水利 ・１７・ 工作闸门为弧形钢闸门，闸孔尺寸为３．６０ｍ× ３．００ｍ（宽×高）。竖井标准纵剖面与横剖面见下 （图１、图２）。 ：－Ｉ ＿ ｌＩ＇ ‘ 过程中水位下降４种水位方案。在运行期间一般 为检修闸门开启，工作闸门关闭情况以及在放空 － 过程中检修闸门全开，工作闸门在一定的开度下 放空水库水位；根据工作经验和其它类比工程计 算的结论得出：竖井最不利的工况应该是在运行 期由结构自重＋校核水位６９８．８８ｍ情况下外水压 力和围岩压力共同作用下竖井的受力。 ．＾ 上 － ３．２竖井配筋标准和计算方法 在以上计算工况情况下根据初步计算和工作 经验分析可以得出，竖井最大的危险区域均应该 出现在胸墙的最低端及靠近闸门处，因此竖井最 易出现拉裂破坏的区域即在胸墙的下端部附近 ●＿．●‘ Ｉ ●ｌ－ １１１ Ｉ 上 ¨Ｉ－Ｉ ＿ ● ：’－＾ 一’一’ － 。 图Ｉ竖井纵剖面 １Ｉ】， ． ．ｔ』Ｌ．１ｊ５ ‘ ｌ １’０； Ｉ．一． ．¨ ｌ ｔ ｌ ２ １ 冀 Ｉ （高程６４８．００ｍ）。基于以上的分析结果，最终将 胸墙下端部单独取出，作为配筋计算的设计依据， 为了避免在设计和施工过程中出现太多的钢筋型 号，最终按照最不利工况下、最不利胸墙位置的受 力情况配筋对整个竖井进行整体配筋。 根据《水工混凝土结构设计规范》（ＳＬ１９１— ２００８）杆件体系钢筋混凝土结构承载能力极限状 态以及正常使用极限状态和非杆件体系钢筋ｔ昆泥 土结构的配筋计算原则之规定，进行混凝土的应 力配筋计算，计算方法分别为一维固端梁计算法、 二维平面框架计算法和三维有限元分析计算法。 通过计算可以获得最不利工况下各部衬砌结构的 位移、应力分布情况和内力分布特征，从而确定断 面的配筋情况。 ｒ。ｅ 兰宴 ，４ 工程计算 ４．１一维杆件计算 截取胸墙底部高程为６４７．５０ｍ～６４８．５０ｍ问 的墙体作为计算对象，将其视为两端固结于竖井 边墙的固端梁，水库水位为６９８．８８ｍ。 图２竖井横剖面 器 竺 ｝ Ｉ ｎ 计算简图如下： ３计算工况与配筋标准和计算方法 ３．１计算工况 工况分为３种方案进行： （１）施工期，结构自重＋施工期对应外水荷 载； 图３校核水位时胸墙６４７．５０ｍ一６４８．７０ｍ 高程间墙体计算简图 （２）完建期，结构自重＋完建期对应外水荷 载； （３）运行期，结构自重＋运行期对应外水荷载 ＋运行期各方案对应内水荷载。 由于本次水库选择校核水位６９８．８８ｍ，设计 洪水位６９８．Ｏ０ｍ，正常蓄水位６９８．００ｍ和在放空 按弹性理论计算内力以及截面抗弯、抗剪验 算。实际选配钢筋：高１．０ｍ的墙体内８＋２８有的 Ⅱ级钢筋（Ａ ＝４９２６．００ｒａｍ ）。 ４．２二维有限元平面框架法计算 模型的水平方向设为ｘ方向（Ｔ１），竖直方向 设为Ｙ方向（ ）。 截取胸墙底部高程为６４８．００ｍ间的整个横 ・１８。 权涛，岳程伟：通江二郎庙水库泄洪放空隧洞竖井结构计算设计 ２０１７．Ｎｏ．４ 断面作为计算对象，应用有限元对简化框架模型 进行实体二维模型的建立，如下图４～图７所示。 ４．３三维有限元计算 ４．３．１模型范围 有限元边界条件的选择范围，应该考虑使竖井 ０．１ 鬻 ＿ ０ ｌ开挖过程中不要影响到模型边界外的地质环境。 竖井按理论取洞径Ｄ各方向的３Ｄ～５Ｄ。本 文的有限元计算模型边界取每个边长的３倍边 长，分别为２９．４ｍ、２８．８ｍ和竖向１７１ｍ。为了尽 可能地考虑开挖不起作用的范围，竖井顶面仍为 自由面，但底部向下延伸２０ｍ，竖井计算模型大小 ３５ｍｘ４５ｍｘ８０ｍ。 ≯ 辫 图４校核水位时胸墙 二维有限元竖井平面模型（高程６４８．ＯＯｍ） 根据本工程的情况，将本工程研究对象视为 连续本构进行研究，考虑荷载对开挖的影响仅在 定的范围内，即只在上述竖井计算模型内起作 用，故模型的左右两个面Ｘ（垂直水流的方 一向）方向的位移为０，前面两个面Ｙ（顺水流的方 向）方向的位移为０，底部面Ｚ（竖直向上的方向） 方向的位移为０，顶面作自由面处理。 ４．３．２计算模型的建立 图５竖井弯矩图（高程６４８．Ｏ０ｍ） 图６竖井剪力图（高程６４８．ＯＯｍ） 图８竖井有限元模型 图７竖井轴力图（高程６４８．ＯＯｍ） 按弹性理论计算内力以及截面抗弯、抗剪验 算。实际选配钢筋：高１．Ｏｍ的墙体内有８＋２５的 Ⅱ级钢筋（Ａ ：３９２７ｍｍ ）。 图９竖井整体位移变形图 ２０１７．Ｎｏ．４ 四川水利 ・１９・ 由图９可以明显看出：位移最大应该在竖井 底部胸墙位置处（高程６４８．００ｍ）。有限元计算 成果如下表１。 表１ １倍外水头内外水平衡时竖井 高程、位置应力 基于以上的大主应力云图和表１可以很直观 地看到竖井在两种不同的工况下大主应力（主拉 应力）最大的区域均出现在竖井胸墙，大主应力 峰值均出现在胸墙的最低端及靠近闸门处，因此 竖井最易出现拉裂破坏的区域即在胸墙的下端部 附近（高程在６４８．００ｍ）。 采用胸墙下部单位面积内（１．０ｍ×１．２ｍ）大 主应力分布值作为配筋计算的设计依据，根据 ＳＬ１９１—２００８《水工混凝土结构设计规范》中非杆 件体系钢筋混凝土结构的配筋计算原则之规定， 进行混凝土的应力配筋计算（配筋成果见表３）。 表２ １倍外水工况下钢筋承担的拉应力统计 部位 所需钢筋（ｍｍ ） 实配钢筋（Ｉ／ＵＴＩ ） ４．４计算结果分析 （１）三种不同的计算方法可以得到三种不同 的配筋结果，且相互之间存在着较大的差异，因此 在关于竖井计算上计算方法的选择将很大程度的 影响着后期钢筋配筋的用量。通过对二郎庙放空 泄洪竖井的配筋计算可以明显地看出：使用三维 实体有限元模拟计算方法在竖井结构外形相同的 情况下计算出的钢筋用量明显少于其他两种方 法。对比三种计算方式，对于竖井主要受力构件 的中部胸墙３种方法计算的内力及应力的结果差 异较大，从而导致竖井结构钢筋的配置量差异较 大，且总体上呈现出胸墙钢筋用量为一维＞－－维＞ 三维的计算结果。结合该工程已经浇筑完成投入 运行且未出现明显结构破坏的实际情况，可将实 际钢筋用量作为上述计算方法的对比参考，从一 定程度上作为检验设计合理性的实践标准。 （２）根据配筋图可以看到其胸墙配置的横向 受力钢筋为 ０＠２００，枢纽在经历了一个雨季蓄 水完成后，未见竖井井壁出现明显的贯穿性裂缝， 竖井胸墙后壁未见较明显的渗水点出现；同时枢 纽已经完成了蓄水安全验收，满足设计使用要求。 基于以上几点可以充分说明：竖井的胸墙使用 ２０＠２００的横向受力钢筋完全可以满足其结构 受力的需求，与三维有限元计算出来的钢筋配置 结果最为相近；而使用二维计算所得的（＋２５＠ １２５）钢筋量相较实际设计用量则多了１５０％；而 一维计算的结果（ ８＠１２５）则更加偏大，为钢筋 量相较实际设计用量多了２１３％。由以上结果可 以明显地看出：在满足正常使用条件下，三维有限 元的计算结果都满足设计需求，在保证结构正常 使用的同时还能最大程度上节约钢筋建材，为工 程节约大量的投资，减少因技术原因造成的不必 要损失。 （３）出现三种不同钢筋量应该与其建立模型 以及简化有很大的关系。一维杆件计算的特点在 于建模简单快捷，力学模型清楚明了，受力方式直 接清晰，计算过程经典简便等，非常适用于简单的 中小型工程；但是正是由于一维杆件计算过程中 需要诸多的简化模型，选取脱离体，以及预先评估 ・２０。 权涛，岳程伟：通江二郎庙水库泄洪放空隧洞竖井结构计算设计 ２０１７．Ｎｏ．４ 最不利部位及最不利荷载组合，因此会导致计算 极大的失真性，受一维杆件计算的局限性影响，杆 件内力计算时不能考虑周围墙体受力变化对拟定 杆件的影响，同时一维杆件所受外力也较为单一， 不能准确地模拟围岩压力、土体压力及孔隙水压 力等外力，同时一维杆件模拟也不能很好地模拟 出整个竖井结构体系的相互协调变形及内力分 配，因此导致单一杆件内力计算与实际构件应力 水平相差较远，不能准确地计算出构件内部真实 的受力情况及应力分布情况。该方法对于大中型 工程及Ⅲ级以上的工程在设计计算过程中就表现 得明显乏力，其计算的结果需要较大程度的修正。 （４）二维平面分析的特点在于能够较好地模 拟出各个杆件之间的相互联系，同时还能通过建 立与高次超静定杆件系相连接的岩体单元外部围 岩及水荷载等对截条框架系的联合作用。二维平 面杆件系在平面应力问题方面已经能够非常合理 地模拟竖井结构在单宽范围之内的受力情况，能 够较好地反映竖井复杂的受力情况。但是二维平 面应力分析同样存在着一定的不足，例如在截条 框架的选取时首先要选取受力最大的单宽截面， 其次再对框架结构施加外力荷载之后再进行内力 计算，计算过程中由于单宽截条不能反应垂直于 截条框架面的竖向应力，因此必然会导致截条简 化框架模型与竖井真实受力之间存在差异。二维 截条框架同时存在最大受力断面选取的不确定 性，竖井由于存在多种受力工况，如工作门关闭、 检修门关闭或者库水位骤变等情况都会导致最大 受力单宽截面位置的变化，基于这些不确定因素， 就必然给二维截条模拟带来很大的操作困难性。 （５）三维实体有限元模型能够非常真实地模 拟竖井结构，尤其是进行空间整体计算更能反映 结构空间相互作用的效果，三维实体模型可以完 整地复制实体竖井，同时可以在三维结构上直接 施加各种外力，能够最大程度的与现实竖井结构 受力一致。三维结构可模拟竖井结构的三向应 力，不存在大幅度的简化，能够真实地模拟竖井结 构的外力。同时三维结构可以模拟竖井结构的围 岩体，能够非常准确地模拟围岩对竖井结构的作 用，通过计算出来的各项应力再基于应力面积积 分对竖井各部分进行准确的应力配筋。 ５ 结语 从以上的计算中可以看出，一维单杆件结构 力学解法、二维平面应变有限元分析以及三维全 尺寸有限元非线性解法均有其各自的特点，由于 三维有限元能弥补一维和二维在建模方面的缺陷 导致最后内力不同，再加上杆件配筋与非杆件配 筋原理上的不同，最终导致最后配置钢筋量产生 的不同。因此在对于竖井这类似复杂的大体积非 杆件三维空间结构在单一外力场作用之下的计算 应该同时兼顾一维、二维、三维三种计算方法，根 据工程的特点及相关重要性作出适当的取舍及相 应的优化，进而做到最贴近现实的设计，最接近安 全的优化。 参考文献 ［１］崔海涛，李娟，曾俊，等．导流洞进口闸室有限元 分析及应力配筋［Ｊ］．水利与建筑工程学报，２０１１，９（３）： １４６－１４９． ［２］周艳莉，符文熹，杨兴国，等．基于有限元法的水 工钢筋混凝土结构配筋［Ｊ］．四川水利，２００６，２７（３）：２１— ２３． ［３］周舒威，李庶林，徐宏斌．长大竖井围岩稳定性有 限元分析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１０，０６（５１）：１４１３— １４１８． （４］王承新，李明雨，袁斌．深覆土层圆形竖井结构 有限元分析［Ｊ］．建筑施工，２００８，３０（８）：６６７－６６８． 作者简介： 权涛（１９８２一），男，陕西宝鸡人，工程师，工程硕士，主要 从事水利水电工程设计工作； 岳程伟（１９９４－），男，四川成都人，助理工程师，学士，主要 从事水利水电工程设计工作。 ■
