高海拔寒冷地區(qū)某水電站泄洪洞進水塔抗震安全分析

姚英全,李 超,李躍濤,王 偉

(1.西藏開發(fā)投資集團有限公司,拉薩 850000;2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

水電站建筑物中，泄洪洞進水塔結(jié)構(gòu)為重要建筑物，進水塔自身的結(jié)構(gòu)安全，保證水電站泄洪功能的實現(xiàn)。關(guān)于進水塔抗震安全分析的相關(guān)研究成果較多，石廣斌認為塔體底部與地基之間的接觸面應(yīng)避免使用接觸單元，減小抗震計算模型誤差[1]；邵明磊的研究表明反應(yīng)譜法計算的抗震側(cè)向穩(wěn)定系數(shù)較擬靜力法偏大[2]；程琦認為塔后回填混凝土和塔間連系梁對塔體前5階自振頻率有較大影響[3]；郭浩洋對某進水塔頂部排架結(jié)構(gòu)進行了分析研究[4]；但尚無關(guān)于在高海拔寒冷地區(qū)的進水塔抗震分析文獻，此種特殊環(huán)境的進水塔，塔身運行期容易受到庫水表面冰壓力作用，且高海拔地區(qū)重力加速度受海拔高度的影響容易被忽略。本文以高海拔寒冷地區(qū)某水電站泄洪洞進水塔為例，考慮高海拔對重力加速度的影響以及寒冷地區(qū)水庫庫周冰層對塔體的冰壓力作用，進行了抗震安全分析，為進水塔抗震安全分析提供借鑒案例。

1 工程概況

某水電站位于西藏海拔3 500.00 m以上的高海拔寒冷地區(qū)，地勢高，氣候寒冷干燥，晝夜溫差大，冰雪期長。工程規(guī)模為Ⅰ等大(1)型工程，泄洪洞進水塔為1級建筑物，抗震設(shè)計烈度為Ⅶ度，場地類別為Ⅰ類，設(shè)計地震加速度的概率水準為100年超越概率2%，加速度峰值0.239g。

泄洪洞布置于左岸溢洪道左側(cè)，為有壓泄洪洞型式，建筑物由進水塔、壓力隧洞、工作閘門室、無壓隧洞、挑流鼻坎組成，建筑物全長930 m。泄洪洞進水口采用岸塔式，進水口頂板采用橢圓曲線，曲線方程為x2/92+y2/32=1，兩側(cè)采用橢圓曲線，曲線方程為x2/62+y2/22=1。泄洪洞進口底板高程為3 812.00 m，底板厚5.0 m，塔頂高程3 897.00 m，塔高90 m，塔寬23 m，順水流方向長度15.0 m。進水塔內(nèi)設(shè)有事故檢修門一道，事故檢修門孔口尺寸7.0 m×9.0 m(寬×高)。泄洪洞進水塔體型如圖1～2。

圖1 進水塔上游立視 單位：cm

圖2 進水塔縱剖面 單位：cm

泄洪洞進水塔位于左岸緩坡山梁，巖性為薄層狀砂質(zhì)板巖，位于弱風(fēng)化中部，屬Ⅲ2類巖體。

2 計算模型、參數(shù)及作用組合

2.1 計算模型

地震作用時，考慮水體產(chǎn)生對塔體的動水壓力，在塔體表面施加質(zhì)量單元。圍巖地基參數(shù)不考慮自身質(zhì)量，彈性模量取7 GPa，泊松比取0.25。模型在3個方向均取大于200 m的范圍，以反映地基對塔體動態(tài)響應(yīng)特性影響[5]。地基水平向邊界按法向約束，底部邊界按三向約束，塔體與冰層接觸部位按法向約束[6]。整體有限元模型見圖3，劃分網(wǎng)格后產(chǎn)生單元數(shù)105 829，節(jié)點數(shù)51 983[7]。塔體有限元模型見圖4，其中塔體單元數(shù)30 778，節(jié)點數(shù)37 289[8]。坐標系采用直角坐標系，坐標原點位于進水塔底板底高程上游面的中點處，X軸正方向為塔體順水流向，Y軸正方向為塔體左岸水平向，Z軸正方向為豎直向上方向[9]。

圖3 整體有限元模型

圖4 塔體有限元模型

2.2 計算參數(shù)

(1)混凝土

本次計算所采用的物理力學(xué)參數(shù)見表1[10]。

表1 混凝土參數(shù)

(2)重力加速度

該水電站地處高海拔地區(qū)，進水塔自重及地震峰值加速度與當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣认嚓P(guān)[11]。根據(jù)1980年大地參考系，正常重力公式為：

gφ,1980=9.780327(1+0.00530244sin2φ-0.00000585

sin22φ)

(1)

公式(1)中：φ為計算點緯度,rad。

與正常重力公式對應(yīng)的隨高度變化計算公式為：

(2)

經(jīng)估算，高度每增加1 m，重力值減小約3.09×10-6m/s2，該水電站所在縣城緯度為31.88°，海拔3 980.00 m，根據(jù)公式(1)可得出對應(yīng)緯度下海拔高度為零的重力值，根據(jù)公式(2)進行海拔高度修正，可得到該水電站所在地重力加速度為9.79473 m/s2，比標準正常重力加速度9.80665 m/s2降低0.01192 m/s2。計算時，根據(jù)上述重力加速度調(diào)整。

(3)冰壓力

該水電站地處寒冷地區(qū)，地勢高，氣候寒冷干燥，晝夜溫差大，冰雪期長。計算考慮靜冰壓力對進水塔的影響。

據(jù)工程所在地氣象資料推算，本工程庫區(qū)冰蓋厚度約47cm，冰層升溫膨脹時作用于塔體的靜冰壓力見表2[12]。

表2 靜冰壓力計算

2.3 作用組合

進水塔的主要荷載可分為靜荷載和動荷載。靜荷載：自重、靜水壓力、冰壓力、揚壓力、淤沙壓力、風(fēng)壓力、設(shè)備自重等；動荷載：地震作用、地震動水壓力和地震動土壓力等。地震工況考慮進水塔結(jié)構(gòu)滿庫且?guī)焖砻姹鶅鰻顟B(tài)與地震作用疊加，地震作用主要考慮塔體自身、塔頂門機、啟閉機、閘門所產(chǎn)生的地震慣性力及動水壓力。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 自振特性分析

塔體前六階振型情況見表3，前兩階振型見圖5，塔體為窄高型高聳結(jié)構(gòu)，水平兩向剛度小，其中垂直水流向剛度最小，因此第一階以垂直水流向水平振動為主，第二階以順水流向水平振動為主?？紤]塔體受冰蓋約束作用后，塔體前六階振型并未有本質(zhì)改變，分析原因在于冰蓋約束作用較弱。

表3 進水塔前六階振型特征

圖5 塔體前兩階振型

3.2 地震工況結(jié)果

振型分解反應(yīng)譜法只得到純動力作用的效應(yīng)，地震工況采用正常蓄水位滿庫且表面冰凍和地震的組合，考慮到動力計算結(jié)果已平方和開根號為正值，采用“靜力+動力”和“靜力-動力”兩種方法組合[13]。

地震工況下，塔體結(jié)構(gòu)以拉應(yīng)力為主，拉應(yīng)力最大值為4.90 MPa，位于塔體與3856平臺相交處，由于該部位塔體截面突變，地震工況下產(chǎn)生了較大拉應(yīng)力，且應(yīng)力梯度變化較大，建議通過配筋增加承載能力。塔體結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力最大值為-12.41 MPa，位于底板底面左、右岸側(cè)端部，滿足C25混凝土的動態(tài)抗壓強度要求。塔體主應(yīng)力極值匯總見表4，主應(yīng)力見圖6～7?？紤]加速度修正后后，塔體位移及主應(yīng)力并未有大幅度減小，分析原因在于加速度修正幅度較小。

圖6 塔體第一主應(yīng)力S1 單位：MPa

表4 塔體主應(yīng)力 /MPa

地震工況下，塔體結(jié)構(gòu)位移分布均呈由塔頂至塔底、由下游至上游逐漸減小的分布規(guī)律[14]。塔體結(jié)構(gòu)的垂直水流方向的位移較大，與塔體主振型為垂直水流向擺動的振動特性是一致的。塔體結(jié)構(gòu)綜合位移最大值為27.98 mm，位于塔頂下游側(cè)部位。塔體結(jié)構(gòu)的各向變形均不大，說明結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。塔體各向位移及總位移匯總見表5，總位移云圖見圖8。

圖7 塔體第三主應(yīng)力S3 單位：MPa

表5 塔體位移/mm

圖8 塔體總位移U 單位：mm

4 結(jié) 論

(1)從地震動響應(yīng)應(yīng)力結(jié)果來看，地震工況下結(jié)構(gòu)局部拉應(yīng)力較大，主要集中在流道頂板下表面、流道底板上表面、塔體外表面，且由于塔體與平臺相交處幾何突變，拉應(yīng)力也較大。塔體其余大部分區(qū)域的動拉應(yīng)力并不大，拉應(yīng)力水平低。拉應(yīng)力大值出現(xiàn)于表層或是角部，不會對整體產(chǎn)生破壞性影響?？紤]加速度修正后后，塔體主應(yīng)力并未有大幅度減小，分析原因在于加速度修正幅度較小。

(2)從地震動響應(yīng)位移結(jié)果來看，通過觀察塔體在順水流方向和垂直水流方向的變形，兩個方向變形量值都不大，不會發(fā)生向岸外或左、右岸的大量運動變形?？紤]加速度修正后，塔體位移并未有大幅度減小，分析原因在于加速度修正幅度較小。

(3)針對塔體結(jié)構(gòu)局部體型突變處，采取邊角修圓、貼坡等過渡處理，減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，改善塔體體型。

針對某高海拔寒冷地區(qū)泄洪洞進水塔，考慮高海拔對重力加速度的減小影響、考慮水庫庫周冰層對塔體的冰壓力作用，進行了抗震安全分析，塔體在地震作用下，從動應(yīng)力、動位移及采取的抗震構(gòu)造措施來看，進水塔在地震作用下是安全的，可以滿足抗震要求。