李世民

（安徽省水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 安徽合肥230088）

1 水電站工程概況

水電站的主要作用是攔水發(fā)電，大壩是水電站的主要建筑物，大壩的安全穩(wěn)定是水電站正常運(yùn)行的前提和保證，因此需要定期對(duì)水電站大壩進(jìn)行安全復(fù)核，從而確保水電站的安全運(yùn)行。蓮花河水電站水庫位于安徽省淠河流域，壩址以上流域面積37km2，河長18km，河道平均坡度19.7‰。攔河壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水位為100年一遇，該水電站大壩為混凝土拱壩，線形為定圓心單曲拱壩，最大壩高34.40 m，壩頂無溢流段。本工程以發(fā)電為單一任務(wù)的水電工程，裝機(jī)2×800 kW，多年平均年發(fā)電量384萬kW.h。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）及有關(guān)規(guī)定，確定電站為Ⅴ等工程，永久主要水工建筑物為5級(jí)。

2 存在的問題

蓮花河水電站投入運(yùn)行3年來，經(jīng)歷了多次洪水的考驗(yàn)，發(fā)揮了較大的發(fā)電效益。但3年來未進(jìn)行過建筑物維修，目前存在主要問題如下：（1）部分設(shè)備陳舊老化。（2）大壩下游未布置消能防沖設(shè)施。（3）大壩下游有裂隙水滲出。

3 水電站大壩結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)

本文僅用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)蓮花河水電站大壩整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元分析[1][2]，對(duì)其進(jìn)行安全復(fù)核。

3.1 混凝土拱壩容許應(yīng)力分析

由于該電站為Ⅴ等工程，壩體為永久建筑物，級(jí)別為5級(jí)，因此計(jì)算時(shí)參照規(guī)范中對(duì)于3級(jí)壩的要求及規(guī)定。根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL282-2003）6.3.2規(guī)定，用有限元法計(jì)算時(shí)，應(yīng)補(bǔ)充計(jì)算“有限元等效應(yīng)力”。按照“有限元等效應(yīng)力”求得的壩體主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力，應(yīng)符合下列應(yīng)力控制指標(biāo)的規(guī)定[3]：

1）容許壓應(yīng)力?；炷恋娜菰S壓應(yīng)力等于混凝土的極限抗壓強(qiáng)度除以安全系數(shù)。對(duì)于基本荷載組合，3級(jí)拱壩的安全系數(shù)采用3.5；對(duì)于非地震情況特殊荷載組合，3級(jí)拱壩的安全系數(shù)采用3.0。

2）容許拉應(yīng)力。對(duì)于基本荷載組合，拉應(yīng)力不得大于1.5MPa；對(duì)于非地震情況特殊荷載組合，拉應(yīng)力不得大于2.0 MPa。超過上述指標(biāo)時(shí)，應(yīng)調(diào)整拱壩的體形減少壩體拉應(yīng)力的作用范圍和數(shù)值。大壩基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 拱壩壩基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從表1中可以看出，壩體應(yīng)力滿足《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL282-2003）規(guī)定，具體結(jié)果分析圖見圖1～圖5。

圖1 蓮花河拱壩有限元模型及材料劃分

圖2 設(shè)計(jì)洪水位時(shí)拱壩位移/m

圖3 設(shè)計(jì)洪水位壩體主應(yīng)力/Pa

圖4 校核洪水位時(shí)拱壩位移/m

圖5 校核洪水位壩體主應(yīng)力/Pa

3.2 混凝土拱壩拱座穩(wěn)定復(fù)核

根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL282-2003）7.2.8規(guī)定，采用剛體極限平衡法進(jìn)行拱座抗滑穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算公式如下[3]：

式中：K——按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

N——垂直于滑裂面的法向力，kN；

T——沿滑裂面的切向力，kN；

f——抗剪摩擦系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，取f=0.7。

計(jì)算結(jié)果（見表2）表明：在設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位時(shí)大壩拱座抗滑穩(wěn)定都能滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

[1]邢靜忠，王永崗，陳曉霞等.ANSYS分析實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：12-68.

[2]尚曉江，邱 峰，趙海峰，李文穎，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2005：21-79.

[3]中華人民共和國水利部.《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL282-2003）[S].北京：中國水利水電出版社，2003：34-35，37-38.