【摘 要】水電站廠房作為擋水建筑物，要承受上、下游水平作用力，使河床式廠房的內(nèi)力分布較其它型式的廠房更加復(fù)雜，軸流式機(jī)組型式、受力方式有自身特點(diǎn)，為了全面了解廠房壩段應(yīng)力、位移狀態(tài)，采用ansys軟件對(duì)水電站廠房進(jìn)行整體三維靜力有限元仿真模擬計(jì)算，使廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理、安全、經(jīng)濟(jì)。

【關(guān)鍵詞】水電站廠房；模擬；靜力計(jì)算

1 工程概況

某水電站位于大渡河干流上。本工程采用混合開發(fā)方式，即建壩壅水高20.0m，河床式廠房，廠后接長約9461m的尾水渠，尾水渠利用落差15.5m。電站正常蓄水位398.0m，相應(yīng)庫容6330×104m3。

水電站為河床式水電站，屬大體積混凝土大型框架結(jié)構(gòu)。電站廠房布置于右岸漫灘和主河床一帶。河床覆蓋層為砂卵礫石層。根據(jù)勘探和試驗(yàn)資料，在高程337.68～343.83m以下為薄層狀砂巖夾中厚層砂巖及泥巖薄層，為廠基地基持力層。

2 基本數(shù)據(jù)

河床廠房為2級(jí)建筑物。上游正常蓄水位為398.00m。下游：設(shè)計(jì)洪水位380.84m ?；鶐r以薄層狀砂巖為主。容許承載力1.0MPa。變形模量0.8GPa。泊松比 0.3?？辜魯嗄﹂呦禂?shù)f′=0.65?？辜魯嗾尘哿′＝0.1MPa。抗剪摩檫系數(shù)f=0.45?？辜魯嗾尘哿＝0MPa混凝土標(biāo)號(hào):C20。 容重2.45t/m3彈性模量 25.5GPa變形模量25.5GPa泊松比 0.167。淤積高程 381.19m泥沙干容重 1.15 t/m3泥沙孔隙率0.556。地震設(shè)防烈度7.3°；場地類別：Ⅰ。50年超越概率10%，特征周期Tg為0.4（sec），基巖水平峰值加速度116cm/s2。

計(jì)算工況：上游正常蓄水位398m，下游水位360.821m，滲透壓力折減系數(shù)1；

3 計(jì)算目的

廠房是由多個(gè)孔洞組成的復(fù)雜三維孔洞結(jié)構(gòu)。全面了解廠房壩段應(yīng)力、位移狀態(tài)，使廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理、安全、經(jīng)濟(jì)。

壩高選取50m，上游面豎直，下游壩坡1:0.74；壩底寬度34.04m，壩頂寬度4m。上游水位高46m，下游水位0m。壩體和壩基取相同材料，彈性模量E=2×104MPa，泊松比0.2，材料密度24kN/m3。用ANSYS軟件計(jì)算結(jié)果與《標(biāo)準(zhǔn)》結(jié)果以及材料力學(xué)法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。為了能夠與《標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行對(duì)比，單元類型選擇平面三角形六節(jié)點(diǎn)單元。壩基上、下游各取一倍壩高，壩基深同樣取一倍壩高。上、下游邊界條件簡化為連桿約束，底面為固定約束。坐標(biāo)原點(diǎn)取在壩踵處，橫坐標(biāo)指水平方向，豎坐標(biāo)為豎直方向。

在水壓力作用下，《標(biāo)準(zhǔn)》有限元計(jì)算結(jié)果在壩踵單元垂直應(yīng)力為5.19MPa，ANSYS計(jì)算結(jié)果為5.37MPa，結(jié)果非常接近；材料力學(xué)法計(jì)算結(jié)果在壩踵垂直應(yīng)力為-0.848MPa，《標(biāo)準(zhǔn)》材料力學(xué)法計(jì)算結(jié)果-0.848MPa，完全相同。

從對(duì)比分析可知ANSYS軟件計(jì)算結(jié)果是圖；機(jī)組壩段基礎(chǔ)面以及 5個(gè)典型剖面的X、Y、Z三個(gè)方向正應(yīng)力云圖。圖中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，單位為MPa；位移指向坐標(biāo)軸正向?yàn)檎?，反之為?fù)，單位為m。

機(jī)組壩段主要部位應(yīng)力分析如下：

（1）機(jī)組壩段基礎(chǔ)面

機(jī)組壩段基礎(chǔ)面上游側(cè)X向（順?biāo)鞣较颍┳畲罄瓚?yīng)力為2.5MPa，主要出現(xiàn)在基礎(chǔ)面上游邊緣，屬于應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且從上游到下游應(yīng)力衰減很快，在距上游面1.5m左右衰減至1.8MPa，距上游面3m衰減至0.7MPa。壓應(yīng)力出現(xiàn)在基礎(chǔ)面偏下游側(cè)，壓應(yīng)力較小，不超過0.8MPa。

Y向（豎向）應(yīng)力均為壓應(yīng)力，大部分區(qū)域在-0.5MPa～-1.2MPa。

Z向（壩軸線方向）在下游邊緣的左、右側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大0.5MPa，上游邊緣的左、右側(cè)有應(yīng)力集中現(xiàn)象，其它大部分區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，壓應(yīng)力較小。

由以上分析可知，機(jī)組壩段建基面Y向（豎向）應(yīng)力為壓應(yīng)力，機(jī)組壩段建基面上游邊緣X向（順?biāo)鞣较颍┖蚙向（壩軸線方向）雖然有拉應(yīng)力，但衰減很快，不會(huì)影響機(jī)組壩段的安全運(yùn)行

（2）進(jìn)水口

進(jìn)水口X向最大拉應(yīng)力為1.6MPa，出現(xiàn)在進(jìn)水口胸墻底部，影響范圍較小。

Y向最大拉應(yīng)力為0.2MPa， 出現(xiàn)在進(jìn)水口胸墻底部。

Z向最大拉應(yīng)力為1.2MPa，出現(xiàn)在進(jìn)水口頂板與墩墻相交處。

（3）發(fā)電機(jī)層樓板

發(fā)電機(jī)層頂板上表面X向拉應(yīng)力較大，X向最大拉應(yīng)力約為2.7MPa，出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)層樓板與下游柱子相交處。

Y向應(yīng)力較小，拉應(yīng)力小于0.6MPa。

Z向拉應(yīng)力最大為1.5MPa，出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)樓板與風(fēng)罩筒相交部位。

（4）副廠房

副廠房樓板X向應(yīng)力較大，最大拉應(yīng)力3.3MPa，出現(xiàn)在372.836m高程樓板與下游柱、尾水墩墻交接部位以及383.136m高程樓板與下尾水墩墻交接部位。

Y向拉應(yīng)力最大值為1.6MPa，出現(xiàn)在尾水墩墻與372.836m高程樓板交接部位。

Z向應(yīng)力最大值為不到1.0MPa，出現(xiàn)在372.836m高程樓板與下游柱相交處。

（5）機(jī)組壩段整體位移

機(jī)組壩段X向位移為0.0022m～0.0201m，整體向下游位移，上部位移比下部位移大，左側(cè)位移略大于右側(cè)位移，最大位移出現(xiàn)在主廠房下游左側(cè)柱的頂部Y向位移范圍為-0.0104m～-0.0002m，整體豎向向下位移，下游位移大于上游位移，最大的豎向向下位移出現(xiàn)在副廠房最高層樓板正中間和尾水閘墩頂部。Z向位移范圍為-0.0015m～0.0024m，機(jī)組壩段底部向左側(cè)位移，頂部向右側(cè)位移，最大位移出現(xiàn)在尾水右側(cè)墩墻的頂部。

作者簡介：

鮮世雄，男，1976年4月，工程師，中國水利水電第四工程局有限公司