水電站攔污柵結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計探討

李 藝， 黃 娟

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610072； 2.中國核動力研究設(shè)計院， 四川 成都 610213)

0 前 言

水電站進(jìn)水口設(shè)置攔污柵的目的是防止污物進(jìn)入進(jìn)水口，進(jìn)而進(jìn)入壓力管道和水輪機(jī)。攔污柵結(jié)構(gòu)為框架式結(jié)構(gòu)，在靜力工況下，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定較易滿足要求，結(jié)構(gòu)應(yīng)力也較小，其地震工況為結(jié)構(gòu)的控制工況。因此，應(yīng)加強(qiáng)連接點(diǎn)和支撐部件的強(qiáng)度和剛度，保證結(jié)構(gòu)的整體性和足夠的抗扭剛度以滿足抗震要求。

某電站工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，進(jìn)水口按50年超越概率10%的地震基巖動峰值加速度220 gal進(jìn)行設(shè)計。本文對其進(jìn)水口攔污柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計探討。

1 三維有限元計算分析

1.1 進(jìn)水口結(jié)構(gòu)

進(jìn)水口為岸塔式，由攔污柵、閘室段和回填混凝土組成。塔高39 m，底板厚3.5 m，單塔橫水流向?qū)挾?3.5 m，順?biāo)飨蜷L度24 m。進(jìn)水塔前部為攔污柵段，設(shè)7孔攔污柵，6個寬1.9 m的攔污柵中墩，兩個寬2.45 m的攔污柵邊墩。柵墩間凈距3.9 m，長度6.07 m，柵墩與底板連成整體，柵墩之間設(shè)置橫撐，橫撐斷面1.0 m×1.2 m(寬×高)，柵墩后部與塔體胸墻之間設(shè)置縱撐，縱撐斷面1.1 m×1.2 m(長×高)。橫、縱撐沿豎向分四層布置，層間高差分別為：6.5 m、6.5 m、7.2 m。閘室控制段，采用喇叭型進(jìn)口，內(nèi)設(shè)事故閘門和通氣孔，事故閘門孔口尺寸12 m×14.5 m(寬×高)。

1.2 計算模型

1.2.1 模型及邊界條件

方案一(原始方案)塔體三維有限元模型：基礎(chǔ)選取為進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)長度并向上、下游各延長40 m，左右側(cè)各延長30 m，豎直向向上、下各延伸40 m。模型采用SOLID45實(shí)體八結(jié)點(diǎn)六面體及其退化的四面體單元，整個模型共分為85 341個節(jié)點(diǎn)，86 116個單元。計算模型見圖1、2。

圖2 初始方案塔體模型(取一半)

模型的約束條件為：基礎(chǔ)上下游及左右兩側(cè)邊界施加法向約束、基礎(chǔ)底部邊界施加全約束。

1.2.2 計算參數(shù)

攔污柵及閘室段混凝土強(qiáng)度等級為C25，門槽二期混凝土為C30，塔體右側(cè)及塔背回填混凝土為C15。塔體地基按地質(zhì)剖面圖大致可劃分為Ⅲ2、Ⅳ類，基巖計算參數(shù)均按中限取值。具體計算參數(shù)見表1。

工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，進(jìn)水口結(jié)構(gòu)為非壅水建筑物，按50年超越概率5%的地震加速度設(shè)計，即水平向設(shè)計地震加速度代表值為220 gal。

表1 材料參數(shù)

1.3 計算成果分析

說明：X方向?yàn)轫標(biāo)鞣较?，指向下游為正；Y方向?yàn)闉闄M水流方向；Z方向?yàn)樨Q直方向，向上為正，方向符合右手法則。

1.3.1 位 移

攔污柵結(jié)構(gòu)在地震工況下各部位的位移峰值見表2。

表2 初始方案攔污柵各部位位移峰值 mm

從位移結(jié)果看，攔污柵結(jié)構(gòu)各部位位移均不大，最大位移出現(xiàn)在橫撐和柵墩處，其值為3.286 mm，結(jié)構(gòu)的位移能滿足規(guī)范要求。

1.3.2 應(yīng) 力

攔污柵結(jié)構(gòu)在地震工況下各部位的應(yīng)力峰值見表3。

從應(yīng)力結(jié)果可以看出，攔污柵結(jié)構(gòu)各部位均出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。橫撐沿橫水流方向上最大拉應(yīng)力達(dá)到了8.81 MPa；縱撐沿順?biāo)鞣较蛏献畲罄瓚?yīng)力達(dá)到了14.1 MPa；柵墩在豎直向最大拉應(yīng)力也達(dá)到了6.54 MPa。如此大的拉應(yīng)力，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全，特別是縱撐和橫撐，斷面面積較小，其應(yīng)力水平很難通過配筋措施來解決。因此，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，來提高其抗震性能。

表3 初始方案攔污柵各部位應(yīng)力峰值 MPa

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

從方案一(原始方案)的計算結(jié)果可以看出，攔污柵結(jié)構(gòu)在地震工況下產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整來降低其應(yīng)力水平。為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，提出兩種優(yōu)化方案進(jìn)行分析對比：方案二將上面兩排縱撐沿豎直向連成隔墻，將第二排縱撐沿水平向連成板；方案三將上面三排縱撐沿豎直向連成隔墻。詳見圖3～5。

2.2 各方案成果對比分析

2.2.1 位 移

地震工況下攔污柵結(jié)構(gòu)三種方案各部位的位移峰值見表4。

由計算成果可以看出，結(jié)構(gòu)調(diào)整后的方案二和方案三位移較原始方案均有所減小，方案二橫水流向的位移更小，而方案三在順?biāo)飨蚝拓Q向的位移更小?？傮w來說，幾種方案位移水平均不大，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表4 攔污柵各部位位移峰值 mm

2.2.2 應(yīng) 力

地震工況下攔污柵結(jié)構(gòu)三種方案各部位的應(yīng)力峰值見表5。

表5 攔污柵各部位應(yīng)力峰值 MPa

由表5可知：三種方案的應(yīng)力分布規(guī)律相同，結(jié)構(gòu)橫水流向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在橫撐部位，順?biāo)飨蜃畲罄瓚?yīng)力出現(xiàn)在縱撐部位，豎向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在柵墩部位。經(jīng)結(jié)構(gòu)調(diào)整后，各部位的拉應(yīng)力明顯減小，橫撐結(jié)構(gòu)橫水流向最大拉應(yīng)力方案二較原始方案減少了17%，方案三減少了23%；縱撐結(jié)構(gòu)順?biāo)飨蜃畲罄瓚?yīng)力方案二較原始方案減少了26%，方案三減少了54%；柵墩結(jié)構(gòu)豎直向最大拉應(yīng)力方案二較原始方案減少了16%，方案三減少了39%。

可以看出，方案三各部位的拉應(yīng)力比方案二更小，更利于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能。特別是對于原始方案中拉應(yīng)力特別大的橫撐和縱撐，方案二雖有所降低，但縱撐最大拉應(yīng)力仍達(dá)到10.5 MPa，而按照方案三調(diào)整后，各部位最大拉應(yīng)力均小于7 MPa，可通過配筋措施來滿足其應(yīng)力條件。從施工角度看，方案三也更利于混凝土施工。因此，該工程的攔污柵結(jié)構(gòu)推薦采用方案三的布置形式。

4 結(jié) 論

(1)攔污柵結(jié)構(gòu)的抗震性能較差，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要注意地震工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力薄弱部位：橫撐部位的橫水流向拉應(yīng)力往往較大；縱撐部位的順?biāo)飨蚶瓚?yīng)力往往較大；柵墩部位的豎直向拉應(yīng)力往往較大。

(2)橫撐和縱撐的斷面尺寸較小，地震工況下結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)易出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，可以考慮將部分橫縱撐連接成板，增強(qiáng)其整體性。本文分析中，經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，相比于原始方案，橫撐橫水流向最大拉應(yīng)力減少了23%，縱撐順?biāo)飨蜃畲罄瓚?yīng)力減少了54%。調(diào)整后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平改善非常顯著，可以對類似工程提供一定的參考價值。