水平旋流消能泄洪洞设计与研究：计算水垫塘段

3.4.3.1　有限元计算模型

水垫塘段三维有限元计算模型坐标系与竖井和水平旋流段模型坐标系相同，坐标原点相应的移至水垫塘计算断面处（距竖井中心线70.38m，计算断面位置见图3.1中2—2剖面）。模型计算范围为：x：－64.0～64.0m，y：－4.5～4.5m，z：1840.14～1971.14m。单片模型（与xz平面平行）上剖分了780个八结点等参单元，沿y轴共平推了9片，共7020个单元；并模拟了114根锚杆，采用隐式锚杆单元法进行计算。有限元网格模型如图3.12所示。

图3.12　水垫塘段有限元计算模型

（a）有限元计算模型；（b）锚杆单元

3.4.3.2　计算方案

为了分析研究排水孔、新老混凝土衬砌结合面及锚杆支护对衬砌结构稳定性的影响作用，计算了7个方案。各方案考虑因素见表3.11。

表3.11　水垫塘段计算方案

续表

注　表中考虑Ⅰ期、Ⅱ期混凝土结合面是指Ⅰ期、Ⅱ期混凝土之间（新老混凝土接触面）为一夹层；不考虑Ⅰ期、Ⅱ期混凝土结合面指Ⅰ期、Ⅱ期混凝土之间（新老混凝土接触面）为一整体结构，不存在夹层。

以上计算方案中，外水压力按面力计算时，作用于混凝土衬砌外侧的外水压力见表3.4及图3.8；外水压力按体积力计算时，渗流体积力按三维有限元渗流计算结果施加于计算模型范围内的岩体和衬砌单元。计算中均考虑围岩开挖后的二次应力场及衬砌结构的自重。

3.4.3.3　计算结果分析(www.xing528.com)

根据以上计算方案，对水垫塘断面新、老混凝土衬砌应力及锚杆应力进行了计算，主要计算结果如表3.12～表3.14所示。

表3.12　水垫塘段老混凝土衬砌应力、位移计算结果

表3.13　水垫塘段新混凝土衬砌应力、位移计算结果

表3.14　水垫塘段锚杆应力计算结果

通过对以上各计算方案主要计算结果的对比分析可以看出：

（1）各计算方案中水垫塘段新、老混凝土衬砌最大压应力、拉应力均小于混凝土的强度设计值（Ⅰ期混凝土为C25，Ⅱ期混凝土为C30），衬砌可按构造配筋。

（2）水垫塘段衬砌在外水压力的作用下，考虑顶拱排水孔排水效果的计算方案中，衬砌的应力及锚杆（尤其是顶拱部位）的应力比不考虑的计算方案都要小，说明排水孔的设置对减小新老混凝土衬砌应力及变形是十分有利的，也是非常必要的。

（3）水垫塘段锚杆在外水压力作用下其应力较开挖后有较大增长，而且当不考虑锚杆的作用时衬砌应力比考虑锚杆作用时要大，说明锚杆有助于衬砌同围岩共同承受外水压力，锚杆端头埋于衬砌内对衬砌承受外水压力是有利的。各方案中锚杆最大应力值都小于钢筋的抗拉强度值，锚杆的布置设计是合理的。

（4）水垫塘段衬砌在外水压力的作用下，不考虑新老混凝土软弱结合面的计算方案中，老混凝土衬砌的应力及锚杆的应力比考虑新老混凝土结合面的计算方案要小，而新混凝土衬砌应力变大，说明在新混凝土施工时，对老混凝土表面凿毛、加横向插筋提高新老混凝土结合度能更好地使新老混凝土共同承担外水压力，对提高衬砌的抗外压稳定性是有益的。（5）当外水压按渗透体积力计算时，衬砌的应力要比外水压按面力计算时小，而且更能体现有排水孔时外水压力作用的不均匀性，所以外水压力按渗流体积力计算时更符合实际，但按面力计算是偏安全的。