確如多水電站泄洪洞及洞臉邊坡的三維動(dòng)力響應(yīng)分析

李紅 柳樹搖 李楨

摘 要：確如多水電站泄洪洞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，洞臉邊坡陡竣，在高地震烈度區(qū)表現(xiàn)為復(fù)雜的動(dòng)力特性，塔體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性及設(shè)計(jì)的合理性。文章采用三維動(dòng)力反應(yīng)譜分析方法，進(jìn)行了泄洪洞及洞臉邊坡的結(jié)構(gòu)動(dòng)位移和動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)，并對(duì)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。計(jì)算結(jié)果表明，確如多水電站泄洪洞及洞臉邊坡在地震作用下是穩(wěn)定的。

關(guān)鍵詞：泄洪洞；高邊坡；有限元；動(dòng)力響應(yīng)分析

1 工程概況

確如多水電站位于四川省甘孜州理塘縣無(wú)量河，工程由混凝土面板堆石壩、地面廠房、電站取水塔、泄洪洞及放空洞等主要建筑物組成。

泄洪洞布置在大壩右壩肩山體內(nèi)，由進(jìn)水渠、控制段、隧洞收縮段、隧洞泄槽段、明槽泄槽段、挑流鼻坎段組成，軸線總長(zhǎng)559.63m。泄洪洞進(jìn)口邊坡開挖高度約70m，開挖坡比1：0.3，采取錨桿及掛網(wǎng)噴砼進(jìn)行支護(hù)。

2 動(dòng)力分析的基本理論

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用振型分解反應(yīng)譜分析法，并將地震分析結(jié)果與正常水位相組合。采用振型分解的反應(yīng)譜法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，各個(gè)自振周期的單自由度結(jié)構(gòu)的最大地震反應(yīng)可由設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線上查出。設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線是在已定阻尼比（如0.05）的情況下，單自由度結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大倍數(shù)β與自振周期T的關(guān)系曲線。β=a/（kg），此處，a為結(jié)構(gòu)的最大加速度，k為地震烈度的設(shè)計(jì)地震系數(shù)?！端そㄖ锟拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》中所給出的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線是根據(jù)大量國(guó)內(nèi)外強(qiáng)震記錄計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)資料基礎(chǔ)上給出的均值反應(yīng)譜，具有代表性，可供設(shè)計(jì)應(yīng)用。

動(dòng)力工況的計(jì)算步驟：（1）根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及工程區(qū)的地震設(shè)計(jì)烈度、設(shè)計(jì)地震峰值加速度、地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期等參數(shù)，獲得本工程的頻率-反應(yīng)譜曲線；（2）采用靜力有限元計(jì)算模型，并將材料的靜彈性模量變成動(dòng)彈性模量，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，得到整體結(jié)構(gòu)的前10階自振頻率及振型；（3）根據(jù)得到的頻率-反應(yīng)譜曲線進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)譜分析，得到各階自振頻率的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜值β；（4）進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)擴(kuò)展分析，即根據(jù)地震強(qiáng)度、設(shè)計(jì)反應(yīng)譜值及相應(yīng)的振型曲線計(jì)算各振型參與系數(shù)及地震反應(yīng)最大值；（5）進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)合并分析，由于地震是隨機(jī)性運(yùn)動(dòng)，各振型的最大地震反應(yīng)不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，按隨機(jī)事件組合的規(guī)律，將各階振型最大反應(yīng)值平方求和，再開平方作為綜合各振型影響的建筑物的最大反應(yīng)，再與其他效應(yīng)組合，即為在地震狀況下建筑物的作用效應(yīng)；（6）將反應(yīng)譜分析結(jié)果與正常水位作用下的靜力分析結(jié)果相組合，從而得到整體結(jié)構(gòu)在動(dòng)力工況下的變形和應(yīng)力。

3 計(jì)算成果分析

計(jì)算坐標(biāo)系原點(diǎn)取在泄洪洞上游邊墻，X方向?yàn)檠厮鞣较驈纳嫌沃赶蛳掠螢檎?，以上游邊墻處為零點(diǎn)，Y方向?yàn)殂U直向上方向，以海拔零高程為零點(diǎn)，Z方向垂直于水流方向，由右手螺旋法則確定。三維有限元模型所取的計(jì)算范圍為-60≤X≤82，3197≤Y≤結(jié)構(gòu)頂部及山頂，-36≤Z≤51。采用三維實(shí)體單元，進(jìn)行泄洪洞的三維有限元?jiǎng)恿憫?yīng)分析。圖1為泄洪洞結(jié)構(gòu)的三維有限元計(jì)算網(wǎng)格圖，共57412個(gè)單元，62274個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算時(shí)，將模型的四周的鉛直面和底部施加法向約束，坡面及泄洪洞臨空面自由。

暫不考慮構(gòu)造地應(yīng)力的影響，模擬泄洪洞及洞臉邊坡在地震作用下的位移、速度及加速度響應(yīng)，并對(duì)泄洪洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和變形分析。分別考慮順流向、橫流向和豎向三個(gè)方向的地震加速度，正常蓄水位為3278m。確如多水電站工程場(chǎng)地的地震基本烈度為7.6度，水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度按0.241g計(jì)算，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.4s，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值βmax=2.25。將巖體及砼視為理想彈塑性材料，采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，材料參數(shù)按表1取值。

表1 材料參數(shù)表

計(jì)算步驟分4步進(jìn)行：（1）地基在自重作用下的位移和應(yīng)力計(jì)算；（2）加上結(jié)構(gòu)體自重和水壓力之后的位移和應(yīng)力計(jì)算；（3）地震荷載作用下的位移和應(yīng)力計(jì)算；（4）泄洪洞結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)為：最終應(yīng)力即為第（2）步+第（3）步的結(jié)果，最終位移為第（2）步-第（1）步+第（3）步的的結(jié)果。

3.1 自振頻率及振型

泄洪洞及洞臉邊坡整體結(jié)構(gòu)的前10階自振頻率為：2.3023，3.0053，3.0062，3.0089，3.8489，4.2519，4.6417，5.9576，6.1840，6.2118?；旧弦皂樍飨蛘駝?dòng)為主。

3.2 地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析

在順流向地震作用下，（1）最大位移響應(yīng)：泄洪洞結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)以豎向?yàn)橹?。地震工況下泄洪洞順流向最大位移響應(yīng)值為3.528mm，橫流向最大位移響應(yīng)值為0.897mm，豎向最大位移響應(yīng)值為3.787mm；（2）最大速度響應(yīng)：泄洪洞結(jié)構(gòu)的速度響應(yīng)以橫流向?yàn)橹?。地震工況下泄洪洞順流向最大速度響應(yīng)值為0.019884m/s，橫流向最大速度響應(yīng)值為0.021156m/s，豎向最大速度響應(yīng)值為0.008884m/s；（3）最大加速度響應(yīng)：泄洪洞結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)以順流向?yàn)橹鳌５卣鸸r下泄洪洞順流向最大加速度響應(yīng)值為0.752154m/s2，橫流向最大加速度響應(yīng)值為0.465622m/s2，豎向最大加速度響應(yīng)值為0.312263m/s2。（4）泄洪洞結(jié)構(gòu)順流向的最大響應(yīng)發(fā)生在排架頂部和泄洪洞后坡，橫流向的最大響應(yīng)發(fā)生在排架下部和泄洪洞導(dǎo)墻，豎向的最大響應(yīng)發(fā)生在排架頂部和泄洪洞右坡；（5）在順流向地震作用下，泄洪洞結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生豎向和順流向的響應(yīng)，響應(yīng)量值均較小。

在橫流向地震作用下，（1）最大位移響應(yīng)：泄洪洞結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)以豎向?yàn)橹?。地震工況下泄洪洞順流向最大位移響應(yīng)值為3.667mm，橫流向最大位移響應(yīng)值為1.151mm，豎向最大位移響應(yīng)值為3.695mm；（2）最大速度響應(yīng)：泄洪洞結(jié)構(gòu)的速度響應(yīng)以橫流向?yàn)橹?。地震工況下泄洪洞順流向最大速度響應(yīng)值為0.01022m/s，橫流向最大速度響應(yīng)值為0.021646m/s，豎向最大速度響應(yīng)值為0.00173m/s；（3）最大加速度響應(yīng)：泄洪洞結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)以橫流向?yàn)橹鳌５卣鸸r下泄洪洞順流向最大加速度響應(yīng)值為0.193066m/s2，橫流向最大加速度響應(yīng)值為0.452912m/s2，豎向最大加速度響應(yīng)值為0.028093m/s2；（4）泄洪洞結(jié)構(gòu)順流向的最大響應(yīng)發(fā)生在排架頂部，橫流向的最大響應(yīng)發(fā)生在泄洪洞導(dǎo)墻，豎向的最大響應(yīng)發(fā)生在泄洪洞頂部和中部；（5）在橫流向地震作用下，結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生豎向和順流向響應(yīng)，響應(yīng)量值均較小。

在豎向地震作用下，（1）最大位移響應(yīng)：泄洪洞結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)以順流向?yàn)橹鳌５卣鸸r下泄洪洞順流向最大位移響應(yīng)值為4.17mm，橫流向最大位移響應(yīng)值為0.891mm，豎向最大位移響應(yīng)值為3.838mm；（2）最大速度響應(yīng)：泄洪洞結(jié)構(gòu)的速度響應(yīng)以豎向?yàn)橹鳌５卣鸸r下泄洪洞順流向最大速度響應(yīng)值為0.010516m/s，橫流向最大速度響應(yīng)值為0.003531m/s，豎向最大速度響應(yīng)值為0.011384m/s；（3）最大加速度響應(yīng)：泄洪洞結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)以豎向?yàn)橹?。地震工況下泄洪洞順流向最大加速度響應(yīng)值為0.293998m/s2，橫流向最大加速度響應(yīng)值為0.126699m/s2，豎向最大加速度響應(yīng)值為0.334166m/s2；（4）泄洪洞結(jié)構(gòu)順流向的最大響應(yīng)發(fā)生在排架頂部和泄洪洞右坡，橫流向的最大響應(yīng)發(fā)生在排架下部和泄洪洞導(dǎo)墻，豎向的最大響應(yīng)發(fā)生在排架下部和泄洪洞右坡；（5）在豎向地震作用下，結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生順流向和豎向的響應(yīng)，響應(yīng)量值均較小。

3.3 地震+正常水位作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在順流向地震+正常水位作用下，泄洪洞結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力為2.78MPa，發(fā)生在泄洪洞洞口，最大壓應(yīng)力為-11.1MPa，發(fā)生在泄洪洞下部結(jié)構(gòu)。在橫流向地震+正常水位作用下，泄洪洞結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力為2.73MPa，發(fā)生在泄洪洞洞口，最大壓應(yīng)力為-11.2MPa，發(fā)生在泄洪洞下部結(jié)構(gòu)。在豎向地震+正常水位作用下，泄洪洞結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力為2.79MPa，發(fā)生在泄洪洞洞口，最大壓應(yīng)力為-10.9MPa，發(fā)生在泄洪洞下部結(jié)構(gòu)。三個(gè)方向的地震+正常水位作用下，結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力值稍大于砼的抗拉強(qiáng)度，可通過(guò)適當(dāng)配置鋼筋來(lái)解決，最大壓應(yīng)力值遠(yuǎn)小于砼的抗壓強(qiáng)度。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章采用三維動(dòng)力反應(yīng)譜分析法，對(duì)確如多水電站泄洪洞及洞臉邊坡的動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，泄洪洞及洞臉邊坡整體結(jié)構(gòu)的自振以順流向?yàn)橹?；在豎向的地震+正常水位作用下，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)值比其它兩個(gè)方向的地震作用時(shí)要大。因此，豎向地震作用工況為控制工況；在三個(gè)方向的地震作用下，結(jié)構(gòu)的位移、速度、加速度響應(yīng)值均較?。辉诘卣?正常水位工況下，結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力值較小，但在泄洪洞洞口等部位產(chǎn)生了不同程度的拉應(yīng)力，需進(jìn)行加強(qiáng)處理；在地震+正常水位工況下，泄洪洞結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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