某水電站閘室及壩頂結(jié)構(gòu)靜動力分析

摘要： 某水電站采用河床式開發(fā)，擋水建筑物為閘壩，閘墩高60.5 m，厚度僅為5 m。泄洪閘閘墩頂部布置啟閉機排架，啟閉機高達26.5 m。排架屬于高聳結(jié)構(gòu)，在遭遇地震時，啟閉機排架將出現(xiàn)較大的地震響應(yīng)，可能造成結(jié)構(gòu)損害，從而影響工程安全。為研究方案是否可行，對泄洪閘閘墩、閘頂高排架進行三維有限元靜、動力分析。為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：水電站" 閘壩" 排架" 靜動力分析

Static and Dynamic Analysis of the Gate Chamber and Dam Crest Structure of a Certain Hydropower Station

LI Xinyi" XU Yunquan

Power China Kunming Engineerig Corporation Limited， Kunming，Yunnan Province， 650000 China

Abstract：A certain hydropower station adopts riverbed development， with a water retaining structure of a gate dam， a gate pier height of 60.5 meters， and a thickness of only 5 meters. The top of the flood discharge gate pier is equipped with a hoist rack， with a height of up to 26.5m. The rack belongs to a high-rise structure， and in the event of an earthquake， the rack will experience significant seismic response， which may cause structural damage and affect engineering safety. To investigate the feasibility of the proposed plan， a three-dimensional finite element static and dynamic analysis was conducted on the spillway gate pier and gate top height bracket， providing reference for similar structural designs.

Key Words： Hydropower station; Gate dam; Rack; Static and dynamic analysis

水閘是水利水電工程中常用的一種擋水、泄水建筑物。多應(yīng)用在航電樞紐泄洪，水電站溢洪道控制段，河道上控制流量以滿足灌溉、引水、排水等功能。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計，在已完成安全檢測鑒定的水閘工程中，安全水閘僅為53%，常見的破壞形式有閘墩裂縫、不均勻變形導(dǎo)致伸縮縫破壞等。某工程因為閘墩剛度不足，導(dǎo)致閘門無法正常提起運行，某水電站閘門因啟閉機排架出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致不能正常泄水。水閘閘室結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定關(guān)系到整個樞紐建筑物的安全、穩(wěn)定運行。因此，研究閘室及其頂部的排架應(yīng)力、變形對工程的安全、穩(wěn)定運行具有十分重要的意義。

1 工程概況

某水電站工程裝機20萬kW，根據(jù)相關(guān)規(guī)范屬Ⅱ等大（2）工程。電站采用河床式開發(fā)，主要建筑物為兩岸非溢流重力壩、泄洪閘、河床式廠房、單線單級船閘等。

本工程的特點是泄洪建筑物規(guī)模大。泄水建筑物由6孔泄洪閘15 m?19.5 m（寬高）、3個泄水沖沙閘15 m19.5 m（寬高）組成。閘孔從上至下依次布置檢修門、工作門、檢修門，閘門均采用平板鋼閘門。閘門的啟閉均采用布置在閘頂?shù)膯㈤]機。閘頂工程600 m，閘墩高40 m，厚5 m。閘墩頂部的排架高26.5 m。工程的泄水建筑物詳如圖1所示。

2" 有限元模型構(gòu)建

2.1" 有限元模型

在動力有限元分析中，閘門和閘墩處的動水效應(yīng)按照水體不可壓縮假定[1-3]，將地震動水壓力用韋斯特伽特公式折算為附加質(zhì)量[4-6]?？紤]到整體計算模型中，閘墩和上部結(jié)構(gòu)的剛度特性差異，同時考慮順河向、橫河向的水平地震作用和豎向地震作用，為提高計算精度和速度，計算模型分成對稱和反對稱兩組。順河向地震、豎向地震及靜力荷載作為對稱荷載加在對稱模型上，而橫河向地震荷載作為反對稱荷載加在反對稱模型上。

建立坐標系，X方向為順河向，指向下游為正，Y方向為橫河向，指向左岸為正，Z方向為豎向，向上為正。地基的計算范圍：底板后沿向上游延伸120 m，底板前沿向下游方向延伸120 m，底部水平邊界面距閘底板表面120 m。FEM網(wǎng)格如圖2所示。

2.2" 材料參數(shù)

閘墩排架混凝土采用C25混凝土，閘墩中部采用采用C20混凝土，閘墩表層采用C30混凝土。閘墩各部位混凝土及地基參數(shù)詳如表1所示。

3 泄水閘壩段靜動力分析

3.1 壩體動力特性

在動力法分析中，對稱性模型和反對稱模型各取30階，自振頻率及各階頻率振型參與系數(shù)如表2、表3所示。可以看到，由于橫河向的剛度小于順河向的剛度，橫河向自振頻率要小于順河向自振頻率。

3.2" 閘墩應(yīng)力計算成果分析

閘室的應(yīng)力最大值及發(fā)生部位如表4所示。在正常蓄水位工況下，9#閘壩壩段除閘墩頂部和門槽處產(chǎn)生了不利的拉應(yīng)力集中外，其余位置基本均處于壓應(yīng)力狀態(tài)。閘墩最小主應(yīng)力分別在下游閘墩與底板交接處，值為-6.33 Mpa，但范圍較小，在設(shè)計中可采用高標號混凝土解決此處的壓應(yīng)力問題。

“正常+順河向地震+豎向地震”工況下，順河向應(yīng)力：最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在閘墩頂部下游檢修門槽消弱部位，數(shù)值為1.27 MPa，分布范圍很??；最大壓應(yīng)力在閘墩下游底部與底板交接處，數(shù)值為-2.80 MPa，分布范圍也很小，為沿下游閘墩圓弧處的小條帶。橫河向應(yīng)力：最大拉應(yīng)力在下游閘底板，數(shù)值為0.85 MPa；最大壓應(yīng)力在閘墩下游底部，數(shù)值為-2.12 MPa。豎直向應(yīng)力：最大拉應(yīng)力在閘墩頂部，數(shù)值為0.93 MPa；最大壓應(yīng)力在閘墩下游底部，數(shù)值為-7.25 MPa。第一主應(yīng)力：最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在下游檢修門槽頂部，數(shù)值為1.29 MPa。第三主應(yīng)力：閘墩最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在閘墩下游底部，數(shù)值為-7.32 MPa。

“正常+橫河向地震+豎向地震”工況下，順河向應(yīng)力：計算最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在閘墩頂部，數(shù)值為1.05 MPa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在閘墩下游底部，數(shù)值為-2.24 MPa。橫河向應(yīng)力：計算最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在下游閘底板，數(shù)值為0.70 MPa；閘墩最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在下游檢修門槽與閘底板結(jié)合處，數(shù)值為-2.04 MPa。豎直向地震：計算最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在閘墩頂部，數(shù)值為1.09 MPa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在閘墩下游底部，數(shù)值為-6.18 MPa。第一主應(yīng)力：最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在閘墩頂部，數(shù)值為2.34 MPa。第三主應(yīng)力：最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在閘墩下游底部，數(shù)值為-6.37 MPa。

應(yīng)力計算結(jié)果顯示，正常運行工況：閘墩大部分混凝土抗拉、抗壓強度均能滿足規(guī)范要求。壓應(yīng)力大值出現(xiàn)在泄洪閘閘墩與閘室底板交匯處下游局部區(qū)域，該局部區(qū)域使用C30混凝土可以滿足規(guī)范要求?！罢?順河向地震+豎向地震”：閘墩各部位主拉應(yīng)力值、主應(yīng)力值均混凝土強度滿足規(guī)范要求?！罢?橫河向地震+豎向地震”：除最大主應(yīng)力外，閘墩各部位主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力值、最小主應(yīng)力值，均小于動態(tài)混凝土強度限值。在“正常+橫河向地震+豎向地震”工況下，最大主應(yīng)力值2.34 MPa出現(xiàn)在閘墩下游頂部，大于1.6 MPa，但最大主應(yīng)力分布范圍很小，且該部位各個方向正拉應(yīng)力均不超過1.1 MPa，可通過局部配筋解決。

3.3" 閘室位移結(jié)果分析

9#閘壩壩段閘室各工況的位移最大值及發(fā)生部位如表5所示。在正常蓄水位工況下，閘墩的最大順河向位移為0.21 cm，發(fā)生在下游頂部；最大豎向位移為0.73 cm，發(fā)生在下游底部，閘墩的橫河向位移非常小。

在2個設(shè)計地震荷載工況中，閘墩順河向最大位移為0.84 cm，發(fā)生在下游閘頂；橫河向最大位移為3.61 cm，發(fā)生在下游閘頂；豎向最大位移為1.06 cm，也發(fā)生在下游頂部外側(cè)。

正常水位下，下部閘墩的水平變形均很小，不會影響閘門的開啟；在2個設(shè)計地震荷載工況中，橫河向地震引起的橫河向位移較大，但位移出現(xiàn)的位置位于閘墩頂部，這是由于橄欖壩水電站閘墩上部兩側(cè)無水約束，且橫河向閘墩剛度相對較低，加上地震作用的“鞭梢效應(yīng)”，造成閘墩頂部有較大位移。閘墩下部位移較小。

4" 泄洪閘閘頂排架抗震設(shè)計

4.1 排架應(yīng)力成果分析

上部排架的應(yīng)力成果如表6所示。正常蓄水位工況下，順河向應(yīng)力：上部排架正應(yīng)力的最大值（拉應(yīng)力）出現(xiàn)在副排架臺車梁與牛腿結(jié)合處，數(shù)值為2.42 MPa；最小值（壓應(yīng)力）出現(xiàn)在啟閉室底中間橫梁與縱梁連接處上側(cè)，數(shù)值為-2.19 MPa。橫河向應(yīng)力：正應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在副排架臺車梁端部上側(cè)，數(shù)值為7.81 MPa；最小值出現(xiàn)在副排架臺車梁端部下側(cè)，數(shù)值為-9.39 MPa。豎直向應(yīng)力：正應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在副排架柱與牛腿連接處，數(shù)值為3.27 MPa；最小值出現(xiàn)在主排架柱與啟閉室底板梁結(jié)合處，數(shù)值為-4.98 MPa。從應(yīng)力結(jié)果看，排架的混凝土抗壓強度能滿足要求，柱和梁的抗拉能力也可以通過配筋來滿足要求。根據(jù)截面應(yīng)力，根據(jù)受完截面承載力要求計算，最危險截面臺車梁須配3根直徑36的3級鋼筋即可滿足正常蓄水位工況下的承載力要求。

“正常+順河向地震+豎向地震”工況下，順河向應(yīng)力：上部排架正應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在副排架臺車梁與牛腿連接處，數(shù)值為10.1 MPa；最小值出現(xiàn)在副排架頂縱梁端部下側(cè)，數(shù)值為-8.49 MPa。橫河向應(yīng)力：正應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在副排架臺車梁與牛腿連接處，數(shù)值為12.4 MPa；最小值出現(xiàn)在主排架電動葫蘆橫梁與縱梁交接處，數(shù)值為-8.38 MPa。豎直向應(yīng)力：正應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在副排架上游柱底部，數(shù)值為3.84 MPa，最小值出現(xiàn)在副排架上游柱頂端，數(shù)值為-7.45 MPa。

“正常+橫河向地震+豎向地震”工況下，順河向應(yīng)力：上部排架正應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在副排架頂縱梁端部，數(shù)值為11.40 MPa；最小值出現(xiàn)在副排架頂縱梁端部上側(cè)，數(shù)值為-11.60 MPa，但分布范圍很小且應(yīng)力梯度很大，應(yīng)力衰減很快。橫河向應(yīng)力：正應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在主排架電動葫蘆梁端部上側(cè)，數(shù)值為9.62 MPa；最小值出現(xiàn)在主排架啟閉室底主橫梁端部下側(cè)，數(shù)值為-8.68MPa。豎直向應(yīng)力：正應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在副排架上游柱底部，數(shù)值為8.03 MPa；最小值出現(xiàn)在副排架上游柱底部，數(shù)值為-10.50 MPa。

設(shè)計地震工況下，上部排架的壓應(yīng)力計算值，除了副排架頂縱梁端部值接近允許值11.13 MPa外，其余均小于允許值。上部排架拉應(yīng)力計算值，雖然超過允許值2.07 MPa，但是通過配筋可以滿足抗拉強度要求。根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果選取地震時出現(xiàn)最大拉應(yīng)力值的臺車梁斷面進行配筋計算，計算表明在地震工況下，臺車梁需配6根直接36的3級鋼筋，才能滿足受彎承載力要求。

上部排架的應(yīng)力：各工況下，閘墩頂部的啟閉機排架結(jié)構(gòu)梁端部均出現(xiàn)應(yīng)力超過混凝土抗拉強度。通過局部加強配筋可滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4.2" 排架位移成果分析

9#閘壩壩段上部排架各工況的位移最大值及發(fā)生部位如表7所示。正常蓄水位工況下，上部排架的最大順河向位移為0.30 m，發(fā)生在主排架頂層梁中部；最大豎向位移為1.49 cm，發(fā)生在副排架臺車梁中部，小于3.75 cm滿足規(guī)范的撓度要求；上部排架的橫河向位移最大值僅為0.06 cm，結(jié)果表明，靜荷載下排架的位移不大。

在2個設(shè)計地震荷載工況中，上部排架順河向最大位移為8.04 m，發(fā)生在副排架臺車梁中部，橫河向最大位移為6.57 cm，發(fā)生在下游主排架柱頂部，豎向最大位移為2.44 cm， 發(fā)生在副排架臺車梁中部。

從位移結(jié)果可知：地震引起的最大位移為順河向地震時臺車梁中部的順河向位移，這是由于將副排架臺車的質(zhì)量加在梁中間部位后，引起的慣性力所致。因此，除了增加配筋可以提高梁的剛度，減少位移外，臺車在不運行時，宜放在梁端靠柱的部位，對應(yīng)力和位移都有改善。

5 結(jié)語

通過對閘墩及閘墩頂部排架進行靜力與動力分析計算，結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足要求。各工況下閘墩最大壓應(yīng)力為7.32 MPa，最大拉應(yīng)力為2.34 MPa，均出現(xiàn)在閘墩下游底部，局部超標應(yīng)力可通過配筋解決。頂部排架最大壓應(yīng)力為11.6 MPa，最大拉應(yīng)力為12.4 MPa，局部超標應(yīng)力可通過配筋解決。

參考文獻

鄧翱.地震作用下橋墩動水壓力計算研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2021.

杜玉濤.拱壩庫水壓力效應(yīng)的動力模型試驗研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2019.

樊冰，李永慶，宋松林，等.高烈度區(qū)深水斜拉橋動水效應(yīng)及抗震體系研究[J].地震工程學(xué)報，2022，44（5）：1024-1033.

杜玉濤，朱彤，樂斌，等.拱壩壩面動水壓力分布的動力模型試驗研究[J].水電能源科學(xué)，2019，37（8）：58-60，103.

曹佳楠.地震作用下混凝土重力壩動力響應(yīng)分析及智能監(jiān)測[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2021.

徐蘇，夏世飛，李文靜，等.基于附加質(zhì)量法的特大型渡槽側(cè)墻動力特性分析[J].吉林水利，2023（10）：52-56.