Ansys在小型水電站結構安全評價中的應用

李世民

（安徽省水利部淮河水利委員會水利科學研究院 安徽合肥230088）

1 水電站工程概況

水電站的主要作用是攔水發(fā)電，大壩是水電站的主要建筑物，大壩的安全穩(wěn)定是水電站正常運行的前提和保證，因此需要定期對水電站大壩進行安全復核，從而確保水電站的安全運行。蓮花河水電站水庫位于安徽省淠河流域，壩址以上流域面積37km2，河長18km，河道平均坡度19.7‰。攔河壩設計洪水標準為20年一遇，校核洪水位為100年一遇，該水電站大壩為混凝土拱壩，線形為定圓心單曲拱壩，最大壩高34.40 m，壩頂無溢流段。本工程以發(fā)電為單一任務的水電工程，裝機2×800 kW，多年平均年發(fā)電量384萬kW.h。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000）及有關規(guī)定，確定電站為Ⅴ等工程，永久主要水工建筑物為5級。

2 存在的問題

蓮花河水電站投入運行3年來，經(jīng)歷了多次洪水的考驗，發(fā)揮了較大的發(fā)電效益。但3年來未進行過建筑物維修，目前存在主要問題如下：（1）部分設備陳舊老化。（2）大壩下游未布置消能防沖設施。（3）大壩下游有裂隙水滲出。

3 水電站大壩結構安全評價

本文僅用大型有限元分析軟件ANSYS對蓮花河水電站大壩整體結構進行三維有限元分析[1][2]，對其進行安全復核。

3.1 混凝土拱壩容許應力分析

由于該電站為Ⅴ等工程，壩體為永久建筑物，級別為5級，因此計算時參照規(guī)范中對于3級壩的要求及規(guī)定。根據(jù)《混凝土拱壩設計規(guī)范》（SL282-2003）6.3.2規(guī)定，用有限元法計算時，應補充計算“有限元等效應力”。按照“有限元等效應力”求得的壩體主拉應力和主壓應力，應符合下列應力控制指標的規(guī)定[3]：

1）容許壓應力?；炷恋娜菰S壓應力等于混凝土的極限抗壓強度除以安全系數(shù)。對于基本荷載組合，3級拱壩的安全系數(shù)采用3.5；對于非地震情況特殊荷載組合，3級拱壩的安全系數(shù)采用3.0。

2）容許拉應力。對于基本荷載組合，拉應力不得大于1.5MPa；對于非地震情況特殊荷載組合，拉應力不得大于2.0 MPa。超過上述指標時，應調(diào)整拱壩的體形減少壩體拉應力的作用范圍和數(shù)值。大壩基底應力計算結果見表1。

表1 拱壩壩基底應力計算結果

從表1中可以看出，壩體應力滿足《混凝土拱壩設計規(guī)范》（SL282-2003）規(guī)定，具體結果分析圖見圖1～圖5。

圖1 蓮花河拱壩有限元模型及材料劃分

圖2 設計洪水位時拱壩位移/m

圖3 設計洪水位壩體主應力/Pa

圖4 校核洪水位時拱壩位移/m

圖5 校核洪水位壩體主應力/Pa

3.2 混凝土拱壩拱座穩(wěn)定復核

根據(jù)《混凝土拱壩設計規(guī)范》（SL282-2003）7.2.8規(guī)定，采用剛體極限平衡法進行拱座抗滑穩(wěn)定計算，計算公式如下[3]：

式中：K——按抗剪強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

N——垂直于滑裂面的法向力，kN；

T——沿滑裂面的切向力，kN；

f——抗剪摩擦系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗，取f=0.7。

計算結果（見表2）表明：在設計洪水位及校核洪水位時大壩拱座抗滑穩(wěn)定都能滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

[1]邢靜忠，王永崗，陳曉霞等.ANSYS分析實例與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004：12-68.

[2]尚曉江，邱 峰，趙海峰，李文穎，等.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京：中國水利水電出版社，2005：21-79.

[3]中華人民共和國水利部.《混凝土拱壩設計規(guī)范》（SL282-2003）[S].北京：中國水利水電出版社，2003：34-35，37-38.