對(duì)水電站調(diào)壓井結(jié)構(gòu)有限元分析

喬天發(fā)

摘要：在水電建筑物中，調(diào)壓井是其重要構(gòu)成部分，而且調(diào)壓井結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性將會(huì)對(duì)水電站的順利運(yùn)作產(chǎn)生直接的影響。緊跟著水利施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，調(diào)壓井的結(jié)構(gòu)變得越加復(fù)雜，其內(nèi)徑也在逐漸變大，而且，因?yàn)樵谒┕さ臅r(shí)候，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)地質(zhì)條件不利于施工的情況。本文主要闡述了水電站調(diào)壓井結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用三維有限元對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。

關(guān)鍵詞：水電站；調(diào)壓井；結(jié)構(gòu)

1.調(diào)壓井的內(nèi)涵

1.1 概況

調(diào)壓井也被稱作壓力井，水電站中的調(diào)壓井主要是用于調(diào)節(jié)水壓。因?yàn)樗娬局械囊芤话愣际呛荛L(zhǎng)的，為此，在機(jī)組突然關(guān)閉的時(shí)候，因?yàn)樗骶邆湟欢ǖ膽T性，所以就會(huì)產(chǎn)生一定的水錘效應(yīng)，就如同無壓力井，水錘會(huì)損壞水葉等的零件。通過使用調(diào)壓井，能夠?yàn)樗N開通一條有效進(jìn)行釋放的通道，進(jìn)而可以促使水流經(jīng)過所造成的壓力的減少。在水利工程中，由于建立一個(gè)調(diào)壓室是需要很高的成本的，而且調(diào)壓室的設(shè)計(jì)也是很復(fù)雜的，為此，在地形條件許可的情況下，一般都是運(yùn)用調(diào)壓井。因?yàn)檎{(diào)壓井所具備的結(jié)構(gòu)以及受力的特點(diǎn)，為此，調(diào)壓井不單單包含了其工作的性質(zhì)，同時(shí)也具備了地下工程所要具備的特點(diǎn)。就結(jié)構(gòu)而言，水電站的調(diào)壓井通常都是由鋼筋混凝土土筒構(gòu)成的。就比如某個(gè)調(diào)壓井它的井底內(nèi)徑是3.3米，但在引水洞的27米以上內(nèi)徑變成5.5米，而調(diào)壓井在地下的井壁應(yīng)該是厚度為0.5米，而在地面上的厚度應(yīng)該為0.3米。其中，圖一是這個(gè)調(diào)壓井的剖圖。

1.2 計(jì)算調(diào)壓井的目的及其內(nèi)容

在對(duì)調(diào)壓井的噴護(hù)采取初步的探究時(shí)要用到彈性力學(xué)以及結(jié)構(gòu)力學(xué)，通過兩個(gè)力學(xué)的有效運(yùn)用可以得出應(yīng)當(dāng)運(yùn)用長(zhǎng)度為2.4米的SW ELLEX型錨桿以及10厘米的混凝土噴層采取噴錨支護(hù)。在計(jì)算調(diào)壓井的時(shí)候，要按照有限元的計(jì)算結(jié)果，有效的對(duì)噴層以及錨桿進(jìn)行合理的分析，進(jìn)而能夠有效的檢驗(yàn)其是不是符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需要。除此之外，在運(yùn)用三維有限元對(duì)調(diào)壓井結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的時(shí)候，也要運(yùn)用兩種混凝土的應(yīng)力對(duì)調(diào)壓井進(jìn)行計(jì)算。第一種是地震加上自重，第二種是地震加上最高涌浪水壓。按照其計(jì)算的結(jié)果，合理的對(duì)井壁的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而能夠?yàn)榕浣钐峁┯行У母鶕?jù)，最終能夠制定有效的配筋計(jì)劃，并能夠符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需要。

2. 有限元計(jì)算的方式以及模型

在對(duì)有限元進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一般都會(huì)運(yùn)用ANSYS分析軟件，而且，在水力水電中，這個(gè)軟件也得到普遍的應(yīng)用，因?yàn)檫@個(gè)軟件能夠?qū)こ痰挠?jì)算進(jìn)行檢驗(yàn)，從而能夠促使其偏差度在規(guī)定的范圍內(nèi)，為此，這個(gè)軟件也越來越受到歡迎。

2.1 對(duì)全部單位和材料進(jìn)行計(jì)算

對(duì)于計(jì)算有限元而言，一定要利用合適的單元模型，同時(shí)要具有一定的計(jì)算精度以及計(jì)算效率。按照調(diào)壓井每一個(gè)位置的幾何特征，如果運(yùn)用ANSUS軟件對(duì)50厘米的混凝土襯砌進(jìn)行分析，通常都是運(yùn)用彈性本構(gòu)模型，如果對(duì)基巖進(jìn)行分析，就要把基巖看成彈塑性介質(zhì)，同時(shí)要運(yùn)用Druck-er-prager原則。如果運(yùn)用link8桿模擬對(duì)2.4米的錨桿進(jìn)行分析，就一定要考慮其彈性。如果運(yùn)用shell63對(duì)10厘米厚的噴層進(jìn)行模擬，通常情況都是運(yùn)用彈性本構(gòu)模型。

2.2 計(jì)算有限元模型

由于在計(jì)算有限元的時(shí)候，為了確保其精度，一定要注重對(duì)模型的選擇，其中主要是選擇材料的參數(shù)以及建立有限元模型。對(duì)于調(diào)壓井來說，一般情況下有兩種模型手段。第一，當(dāng)需要對(duì)全部的底部引水管以及井壁進(jìn)行了解的時(shí)候，尤其是在了解受力情況的時(shí)候，有限元模型一定要包含引水管以及井壁在內(nèi)，而錨桿的模擬能夠運(yùn)用促使錨桿強(qiáng)度參數(shù)提高的方法，即要提高單元強(qiáng)度參數(shù)，從而起到加固的效果，通常而言，需要提高到20%-30%左右。第二，當(dāng)要清楚錨桿以及井壁的受力情況的時(shí)候，要在模型中明確錨桿的位置，因?yàn)檎{(diào)壓井一般都是很深的，為此，要按照圣維南原理，從而能夠促使有限元模型的建立，同時(shí)也能省略引水管。因?yàn)橛?jì)算有限元的目的在于明確井壁、噴層以及錨桿的受力情況，為此，在建立調(diào)壓井模型的時(shí)候，可以運(yùn)用上述的第二種方法。

在建立有限元計(jì)算模型的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)運(yùn)用柱坐標(biāo)系，即以調(diào)壓井徑向?yàn)閄軸，以切向?yàn)閅軸，以高度為Z軸，而且坐標(biāo)的原點(diǎn)要在調(diào)壓井底部的圓心位置，高程應(yīng)該是974米。在運(yùn)用模擬金酸調(diào)壓井的是婚后，要在調(diào)壓井的底部一直延伸到50米，同時(shí)要在中軸線中向徑向延長(zhǎng)到50米。同時(shí)，也要約束有限元計(jì)算模型，即在底部中添加三向?qū)τ?jì)算模型進(jìn)行約束，在計(jì)算墨西哥的邊界面要添加法向鏈桿進(jìn)行約束。而對(duì)于有限元的網(wǎng)格來說，要有20843個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)要有6120個(gè)混凝土襯砌以及11800個(gè)基巖單元，此外，也要具備1080個(gè)噴層單位。

2.3 巖體、錨桿、混凝土的物理力學(xué)指標(biāo)

2.4 計(jì)算地震動(dòng)力

在分析調(diào)壓井結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)運(yùn)用振型分解反應(yīng)譜法，首先，要分析結(jié)構(gòu)本身，從而能夠獲取大結(jié)構(gòu)的自振頻率以及動(dòng)力特征，同時(shí)，在得到相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，要對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)用地震反應(yīng)譜，從而能夠在反應(yīng)譜中得到結(jié)構(gòu)中不同的響應(yīng)，然后，要運(yùn)用SRSS法得到結(jié)構(gòu)的整體地震響應(yīng)。運(yùn)用這種方式能夠有效的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜，從而能夠得出地震峰值加速度應(yīng)該是0.17克，而且特征周期的值應(yīng)該是0.30s。一般而言，計(jì)算的反應(yīng)譜如圖三所示。

圖三

3. 計(jì)算調(diào)壓井有限元的結(jié)果

3.1 分析總體應(yīng)力分布

就最高涌浪水位的影響力而言，第一主應(yīng)力基本實(shí)在-12.1-19.7Pa范圍內(nèi)，在調(diào)壓井頂板中所出現(xiàn)的小范圍的拉應(yīng)力區(qū)，甚至比較多的圍巖都出現(xiàn)在壓應(yīng)力區(qū)中，其中，最大壓應(yīng)力是在調(diào)壓井與交通洞匯聚的地方，最大拉應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)在引水隧道洞靠近山體得位置。而第三主應(yīng)力是在-71.8-3.22MPA的范圍內(nèi)，調(diào)壓井的圍巖在-5.12-3.22MPS的范圍內(nèi)，而且最大的壓應(yīng)力應(yīng)該會(huì)出現(xiàn)在調(diào)壓井和交通洞匯合的位置。

3.2 計(jì)算錨桿有限元

通過計(jì)算有限元的結(jié)果，能夠知道軸力最大的錨桿應(yīng)該是在調(diào)壓井高程的1002m處，而且其軸力要達(dá)到46.7KN，然而要低于100KN的設(shè)計(jì)抗拔力，為此，運(yùn)用這種方式選取錨桿是十分合理的并能確保安全。

3.3計(jì)算10厘米厚的鋼纖維混凝土噴層有限元

就鋼纖維混凝土噴層環(huán)向應(yīng)力等值線來看（圖四），就可得知鋼纖維混凝土噴層的環(huán)向受拉，其中，在調(diào)壓井漸變段中拉應(yīng)力應(yīng)該是1.56MPa，在調(diào)壓井底端的拉應(yīng)力應(yīng)該是1.62MPa，因?yàn)殇摾w維混凝土噴層的抗拉強(qiáng)度是1.74MPa，為此，在這個(gè)噴層在開挖的時(shí)候是安全的。

圖四

3.4計(jì)算襯砌有限元

就工況一而言，在地震加上自重的現(xiàn)狀下，襯砌的環(huán)向應(yīng)力都是很小的，為此，工況一并非控制工況，為此，在本文中將省略其計(jì)算結(jié)果。就工況二而言，即地震情況下的襯砌應(yīng)力加上調(diào)壓井最高的水壓即1053.19米。其中，圖五是工況二的剖面應(yīng)力等值圖。

圖五

3.5計(jì)算井壁內(nèi)力

得出應(yīng)力結(jié)果后，要按照有限元元件進(jìn)行合理的處理，從而得出相關(guān)的內(nèi)力，最終有利于計(jì)算井壁的配筋。就調(diào)壓井的結(jié)構(gòu)而言，計(jì)算配筋時(shí)要包含垂直直向以及水平向在內(nèi)。就水平來說，在得出每一個(gè)高程的拉力的以及力矩的時(shí)候，就能夠按照受拉構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算配筋以及抗裂。而且要對(duì)力矩以及應(yīng)力進(jìn)行科學(xué)的積分。對(duì)于垂直分析來說，也要計(jì)算力矩以及壓力，從而可以按照偏心受壓構(gòu)件計(jì)算出配筋。

4.結(jié)語

綜上所述，本文主要是運(yùn)用有限元來計(jì)算調(diào)壓井結(jié)構(gòu)體，同時(shí)也分析了調(diào)壓井的三個(gè)受力主體，即襯砌、噴層以及錨桿，并通過分析其受力的現(xiàn)狀，有效的對(duì)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行指導(dǎo)。同時(shí)，在進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，也包含了九個(gè)開挖時(shí)候的荷載步以及一個(gè)初始的荷載步，并運(yùn)用了動(dòng)態(tài)的模擬，從而能夠有效的解決水電站調(diào)壓井施工時(shí)所出現(xiàn)的問題。

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