某電站溢洪道控制段三維有限元分析

張 凱，楊 鵬，李曉彬

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

隨著我國水電事業(yè)的不斷發(fā)展，電站規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)愈加復(fù)雜，并且越來越多電站在高地震烈度地區(qū)開始修建，給水工建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。溢洪道不僅要求汛期正常泄洪，更肩負(fù)著緊急情況下降低庫水位確保大壩安全的重任，需要高度重視溢洪道安全。為確保結(jié)構(gòu)建筑物安全而采用不同的計(jì)算方法進(jìn)行復(fù)核：宮經(jīng)偉采用剛體極限平衡法對新疆某水利工程溢洪道控制段穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，認(rèn)為地震作為對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響顯著。范鵬采用ADINA軟件對溢洪道閘室段整體沉降進(jìn)行了分析。彭瑋采用了振型分解反應(yīng)譜法對引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水塔動力響應(yīng)特性進(jìn)行了分析。范書立以重力壩為例對新舊抗震規(guī)范對設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行了分析。祖威對猴子巖水電站進(jìn)水塔進(jìn)行了三維有限元分析。李亞軍對某溢洪道堰閘段進(jìn)行了靜力和抗震性能三維有限元分析。本文擬通過對具體案例的分析總結(jié)為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒參考。

某工程位于西南強(qiáng)震地區(qū)，場地基本烈度VII度，基準(zhǔn)期100年超越概率2%的設(shè)計(jì)地震動峰值加速度高達(dá)307gal；最大下泄流量12627m3/s，校核洪水(PMF)情況下最大泄洪功率約為34100MW。經(jīng)過前期大量方案比選最終選擇了如圖1所示的樞紐布置方案。泄洪系統(tǒng)采用平行布置3孔洞式溢洪道+1條深孔泄洪洞的形式，其中溢洪道孔口尺寸15m×22m(寬×高)，單個控制段長63m，寬20m，高51m，弧門推力高達(dá)72×103kN；由于結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜抗震問題較為突出，在設(shè)計(jì)過程中采用了三維有限元對控制段進(jìn)行了性能化設(shè)計(jì)。

圖1 溢洪道布置三維示意圖

1 計(jì)算模型及參數(shù)

計(jì)算采用無質(zhì)量地質(zhì)模型，模型向上下游和左右側(cè)各延伸100m作為截?cái)噙吔?。有限元模型?shí)體單元采用Solid185單元，錨索采用Link180單元模擬，弧形門鉸支座采用MPC184單元簡化處理，弧門推力以集中荷載的形式施加在耦合點(diǎn)處。模型共140174個單元，159175個節(jié)點(diǎn)，地基采用全約束邊界條件進(jìn)行約束，計(jì)算中不考慮二期混凝土受力，有限元模型如圖2—3所示。

圖2 有限元整體模型

圖3 控制段細(xì)部網(wǎng)格

溢洪道控制段材料分區(qū)主要包括：底部墊層混凝土(C30)，預(yù)應(yīng)力閘墩及牛腿混凝土(C35)，過流面抗沖磨(C9045)，堰體大體積混凝土(C25)?？刂贫蔚撞繋r體為IV類。相應(yīng)的材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)表

2 計(jì)算荷載及工況

本案例對溢洪道控制段正常擋水工況、完建工況、檢修工況及地震工況進(jìn)行了模擬分析。主要考慮了結(jié)構(gòu)自重，靜水壓力，弧門推力、平板門推力、揚(yáng)壓力、浪壓力以地震作用。其中弧門推力以集中力形式施加在MPC單元的耦合點(diǎn)處，地震動水壓力采用附加質(zhì)量的形式進(jìn)行施加。各工況下的荷載組合見表2。

表2 控制段計(jì)算工況及荷載組合

3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

3.1 靜力工況模擬

溢洪道采用各孔獨(dú)立的布置形成，各閘墩均為邊墩受力狀態(tài)。初步布置的成果為：閘墩厚度5m，沿閘墩厚度方向布置三層3000kN級錨索，各層間距0.7m，每層布置7根夾角5°，中心錨索與水平夾角17.32°。

完建工況模擬采用生死單元技術(shù)進(jìn)行：首先沿高程方向每2m一層進(jìn)行分層加載，得到了混凝土澆筑完成時控制段受力狀態(tài)；然后在此基礎(chǔ)上研究了完建和正常擋水工況下錨索對閘墩受力狀態(tài)的影響。

為了準(zhǔn)確把握控制段狀態(tài)，找到設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，對控制段錨索采用Link單元進(jìn)行了精確模擬，錨索的線剛度根據(jù)面積等效的方式取為710MN/m。采用降溫法對錨索施加預(yù)應(yīng)力，通過APDL語言在荷載步間的迭代確保每根錨索張緊力在3000±1kN。完建工況錨索張拉前后控制段主拉應(yīng)力分布如圖4—5所示，正常擋水工況閘墩的主拉應(yīng)力分布如圖6—7所示。

圖4 完建工況控制段主拉應(yīng)力(錨索張拉前)

圖5 完建工況控制段主拉應(yīng)力(錨索張拉后)

對比圖3—4可以看出，完建工況下錨索對閘墩整體應(yīng)力狀態(tài)影響不大，錨索張拉張拉后在閘墩外側(cè)形成了扇形拉應(yīng)力去，加劇了錨塊與閘墩交接部位應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中現(xiàn)象在錨塊與閘墩內(nèi)表面交線位置最為嚴(yán)重，超過混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度的深度約1m，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮配置適當(dāng)?shù)南蘖唁摻睢?/p>

圖6 正常擋水工況閘墩第一主應(yīng)力(不慮錨索作用)

圖7 正常擋水工況閘墩主拉應(yīng)力(考慮錨索作用)

通過正常擋水工況計(jì)算結(jié)果可以看出，在錨索拉力作用下弧門推力引起的拉應(yīng)力區(qū)明顯減小，正常擋水工況超過混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的區(qū)域基本消失，僅在錨索上游錨固點(diǎn)和錨塊位置存在局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

扇形錨索的布置使閘墩的受力狀態(tài)得到明顯改善，安全性得到提高，由于工程尚未進(jìn)入施工圖設(shè)計(jì)階段，本次計(jì)算僅對錨索布置的合理性進(jìn)行了復(fù)核，在下階段將對錨索布置方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步改善閘墩受力狀態(tài)，確保溢洪道控制段安全運(yùn)行。

3.2 閘室動力響應(yīng)分析

(1)閘室動力特性分析

采用Block Lanczos方法對控制段在空庫(完建及檢修工況)和滿庫(正常擋水工況)狀態(tài)下的自振特性進(jìn)行求解?？刂贫吻?節(jié)振型的自振頻率和振型分別見表3—4。

表3 控制段自振頻率(Hz)

表4 各工況控制段穩(wěn)定結(jié)構(gòu)系數(shù)γd

控制段自振頻率計(jì)算結(jié)果表明，空庫和滿庫狀態(tài)下水閘的振動特性符合一般性規(guī)律，動水壓力對高階頻率影響更為明顯；振型計(jì)算結(jié)果表明，控制段振型以垂直水流向運(yùn)動為主，地震工況下沒有出現(xiàn)明顯的薄弱位置，低階振型主要集中在閘墩尾部；由于在錨索張拉平臺位置閘墩厚度減薄鞭梢效應(yīng)較為明顯，后期應(yīng)加強(qiáng)該部位回填體的連接提高閘墩側(cè)向剛度。

(2)地震工況模擬

采用振型分解反應(yīng)譜法對地震效應(yīng)進(jìn)行了模擬；考慮到各階頻率相差不大各振型間可能存在相互影響，模態(tài)疊加計(jì)算采用完全二次項(xiàng)組合方法(CQC)。通過軟件提供的工況組合能，將地震工況與正常擋水工況下荷載效應(yīng)疊加得到地震工況下閘室的受力狀態(tài)，在疊加過程中動力效應(yīng)折減系數(shù)根據(jù)規(guī)范要求取0.35。

在地震工況，控制段主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在門機(jī)大梁與閘墩交接位置，如圖8所示，主要是由于應(yīng)力集中引起。閘墩墩底部靠近堰面位置存在深度1m左右的區(qū)域超過混凝土抗拉強(qiáng)度，最大拉應(yīng)力值在3～4MPa，在閘墩底部需配置一定數(shù)量的抗震鋼筋。閘墩第三主應(yīng)力分布規(guī)律與第一主應(yīng)力基本一致，高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在了閘墩底部，但未超過混凝土抗壓承載力設(shè)計(jì)值。

圖8 地震工況控制段第一主應(yīng)力分布

4 整體穩(wěn)定性分析

按照DL/T 5398—2007《水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》對控制段抗滑、抗傾和抗浮穩(wěn)定性進(jìn)行了復(fù)核，控制段基礎(chǔ)底面混凝土與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)取0.9，基礎(chǔ)底面混凝土與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力取700kPa。

通過計(jì)算可以看出，在考慮地震工況系數(shù)后抗滑穩(wěn)定性和抗浮穩(wěn)定性系數(shù)有所升高，抗傾穩(wěn)定性系數(shù)雖有較大幅度下降，但穩(wěn)定性仍有較大富余，控制段穩(wěn)定性能夠滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

本文采用ANSYS有限元軟件，對溢洪道控制段靜動力工況進(jìn)行了受力分析，對錨索張拉效果和地震作用下控制段動力響應(yīng)進(jìn)行了分析，并基于有限元計(jì)算結(jié)果對溢洪道控制段的穩(wěn)定性進(jìn)行了復(fù)核，通過本工程實(shí)例的計(jì)算得到以下結(jié)論供類似工程參考：

(1)正常擋水工況下，錨索有效地降低了閘墩扇形拉應(yīng)力分布，閘墩受力狀態(tài)改善明顯，但由于錨索單側(cè)布置導(dǎo)致錨塊區(qū)域應(yīng)力分布復(fù)雜，引起明顯的應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)時要加強(qiáng)對體型優(yōu)化同時加強(qiáng)限裂鋼筋布置。

(2)在地震工況下，控制段閘墩側(cè)向剛度較低，側(cè)向振動較為明顯，引起閘墩底部出現(xiàn)較高彎曲應(yīng)力，建議提高在類似工程設(shè)計(jì)值應(yīng)充分考慮側(cè)向支撐措施，例如：通過在閘墩后部增加聯(lián)系梁板以提高結(jié)構(gòu)整體性，在閘墩外側(cè)回填低標(biāo)號混凝土增加閘墩側(cè)向支撐等。

(3)地震作用對閘墩的抗傾覆影響較大，側(cè)向抗傾覆穩(wěn)定明顯降低，在進(jìn)行控制段設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量控制結(jié)構(gòu)高寬比，以提高結(jié)構(gòu)的垂直水流向穩(wěn)定性。