浅析赵家堡子电站溢流坝闸墩配筋方式

郑晓康

（辽宁省观音阁水库管理局有限责任公司，辽宁 本溪 117100）

闸墩是水利工程中泄水建筑物的重要组成部分，其科学合理的设计对水利工程的运行安全具有重要作用[1]。目前，水利工程设计建设中大多采取预应力闸墩解决普通混凝土闸墩承载力不足的问题[2]。但是，工艺复杂、抗震性能不足成为制约其广泛应用的重要缺陷。型钢-混凝土闸墩作为一种新型的闸墩结构模式，将普通钢筋混凝土闸墩中的受力钢筋用型钢代替，具有刚度大、承载力高、抗震性能好等诸多优势，有良好的发展和应用前景[3]。因此，广大学者和工程技术人员针对型钢混凝土闸墩结构设计进行了诸多研究[4]。鉴于型钢-混凝土闸墩两侧配筋设计研究较少，而闸墩的工作性能又与其紧密相关。本文对工程运行期间非对称荷载作用下不同配筋直径和间距对钢筋-型钢混凝土闸墩工作性能的影响进行研究。

1 工程背景

赵家堡子水电站位于辽宁省丹东境内，属于爱河梯级开发的重要规划工程。该电站的坝址在凤城市石城镇境内，距离凤城25 km，距离丹东市约95 km。规划中的赵家堡子电站属于一座径流式水电站，同时具有一定的防洪和养殖功能，为一座综合性小型水利枢纽工程。电站设计单机容量42 kW的混流式水利机组，装机总容量为16800 kW。电站的水库为河道式水库，设计库容1550万m3。赵家堡子水电站的工程等别为Ⅲ等，主要水工建筑物级别为3级，设计洪水标准为百年一遇，校核洪水标准为千年一遇，主要由混凝土重力坝、溢流坝、引水系统和电站厂房构成。其中，大坝的溢流坝段位于靠近右岸的位置，采用WES实用堰设计，堰顶高程为55.10 m，闸门的墩体厚3.0 m，墩顶高程为80.16 m。

2 FLUENT三维有限元计算模型

2.1 有限元模型的构建

本次研究选取FLUENT软件进行三维数值模拟[5]。根据相关研究成果，在混凝土闸墩的粘结滑移载荷较大时，闸墩的整体位移并不会受到型钢和混凝之间粘结滑移作用的明显影响。因此，本次研究中并不考虑型钢、钢筋层和混凝土之间的粘结滑移作用的影响，而将型钢和钢筋层直接嵌入有限元模型进行计算分析[6]。为了区分不同混凝土材料的性质，牛腿采用C40混凝土，而其他部位则采用C30混凝土。由于模型包含范围较大，不同区域的计算规则不同，因此将网格划分为大小不同的规则形状，提高网格划分的质量[7]。模型的网格间距设定为0.8 m，并对关键部位进行加密，最终获得约312890个离散单元（见图1）。

图1 钢筋-型钢混凝土闸墩有限元模型

2.2 算法和边界条件

由于两闸墩之间设置有伸缩缝，相邻的闸墩之间不存在相互影响，因此模型的左右边界设置为自由边界。由于闸墩的底部和地基接触十分牢固，底部位移量几乎为零，因此将模型的底部设置为全约束条件。在模型计算过程中，将初始增量步长设置为0.01，最大增量步设置为10000，以保证模型的计算结果收敛[8]。研究过程中利用软件进行多次试算，计算结果显示可以满足收敛条件。

2.3 计算工况

本文主要对不同配筋直径和间距下闸墩的位移和应力进行分析，以确定最佳闸墩配筋直径和间距，在保证工程安全的前提下，最大限度提升闸墩设计的工程经济性。计算工况为：①保持配筋间距50 mm不变，闸墩两侧设计为没有配筋以及配筋直径分别为20 mm、22 mm、25 mm、28 mm以及32 mm等6种不同的配筋直径；②配筋直径不变，配筋间距为50 mm、90 mm、120 mm、150 mm、180 mm、210 mm 以及 240 mm 这 7种不同配筋间距。

3 计算结果与分析

3.1 不同配筋直径下闸墩位移分析

对不同配筋直径下的闸墩整体和部分关键部位的位移量进行计算，结果见表1。由表1可知，在设置配筋的情况下，闸墩各个方向上位移与关键部位的位移均相对较小，说明设置配筋对控制闸墩位移具有显著的作用。从有配筋的5种工况的对比结果来看，随着配筋直径的增大，闸墩的各向位移、合位移以及关键部位的位移均呈现出不断减小的趋势，但是减小的幅度会随着配筋直径的增加而不断减小。但是，配筋直径对各向位移的影响程度并不相同，其中对X向和Z向位移的影响较大，而对Y向位移的影响并不明显。从具体的数据来看，采用D32@50配筋与无配筋工况相比，X向位移由1.110 mm减小到1.041 mm，减小幅度为6.22%；Y向位移由0.800 mm减小到0.783 mm，减小幅度为2.13%；Z向位移由5.153 mm减小到4.936 mm，减小幅度为4.21%；此外，由于上角点的位移大于下角点的位移，说明上角点的应力集中更为显著。

表1 不同配筋直径下闸墩位移量计算结果

3.2 不同配筋直径下闸墩应力分析

对不同配筋直径下的闸墩整体和部分关键部位的应力进行计算，结果见表2。由表2可知，在闸墩的两侧增设配筋之后，闸墩整体和关键部位的最大拉应力值均有不同程度的增加，同时拉应力值还随着配筋直径的增加而增大。例如，采用D32@50配筋与无配筋工况相比，闸墩的最大拉应力值由1.951 MPa增加到1.980 MPa增加了1.48%。究其原因，闸墩在运行工况下会受到较大的闸门推力作用，因此承担的荷载较大。而配筋直径的增加势必会导致配筋与混凝土接触面积的增大，从而使配筋与混凝土粘结力的减弱，进而导致各部位受到的拉应力增大。

表2 不同配筋直径下闸墩应力计算结果

3.3 不同配筋间距下闸墩位移分析

在配筋直径为32 mm不变的情况下，对不同配筋间距下的闸墩整体位移和部分关键部位的位移量进行计算，结果见表3。由表3可知，减小配筋间距有助于控制闸墩的X向位移。例如，闸墩的配筋间距由240 mm减小到50 mm时，闸墩的X向位移由1.082 mm减小到1.041 mm，减小了3.79%；减小配筋间距对改善闸墩的Y向位移的作用不明显，闸墩的配筋间距由240 mm减小到50 mm时，闸墩的Y向位移由0.785 mm减小到0.783 mm，减小幅度极为有限；减小配筋间距对控制闸墩的Z向位移的作用比较明显，闸墩的配筋间距由240 mm减小到50 mm时，闸墩的Z向位移由5.050 mm减小到4.936 mm，减小了2.26%。此外，闸墩两个关键部位，牛腿上下角的位移量也随着配筋间距的减小而减小，说明减小配筋间距对减少该部位的位移也具有一定的作用。此外，由于上角点的位移大于下角点的位移，说明上角点的应力集中更为显著。

表3 不同配筋间距下闸墩位移量计算结果

3.4 不同配筋间距下闸墩应力分析

对不同配筋间距下的闸墩整体和部分关键部位的应力进行计算，结果见表4。由表4可知，闸墩拉应力值随着配筋间距的减小呈现出先减小后增大的趋势。闸墩在运行工况下会受到较大的闸门推力作用，因此承担的荷载较大。而配筋间距的增大会导致配筋与混凝土接触面积的减小，从而使配筋与混凝土粘结力的有所增强，进而导致各部位受到的拉应力减小。但是配筋间距过大，会加大对支座附近混凝土的牵拉作用，进而导致闸墩的拉应力增大。

表4 不同配筋间距下闸墩应力计算结果

4 结论

本文以赵家堡子水电站为例，对不同钢筋-型钢混凝土闸墩配筋直径和间距条件下的闸墩位移和应力变化特征进行研究，得到的研究结论如下：

（1）设置配筋对控制闸墩位移具有显著的作用，随着配筋直径的增大，闸墩的各向位移、合位移以及关键部位的位移均呈现出不断减小的趋势，应力呈现出不断增大的趋势，但是增加幅度比较有限。

（2）减小闸墩配筋间距对控制闸墩各向位移具有明显的作用，其中对控制X向位移和Z向位移的作用更为明显；随着配筋间距的减小，闸墩的拉应力呈现出先减小后增大的趋势，但是变化不大。

（3）综合研究结果，同时考虑工程的经济性要求，建议赵家堡子水电站溢流坝闸墩应该采用D32@50配筋方式。