魯　毅，　李　藝

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都　610072)

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長河壩水電站放空洞進(jìn)水口結(jié)構(gòu)三維有限元分析

魯毅，李藝

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：采用三維有限元方法，對(duì)長河壩水電站放空洞進(jìn)水口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體應(yīng)力和變形分析，得到了靜力和動(dòng)力等多種工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形分布規(guī)律。根據(jù)計(jì)算成果，重點(diǎn)分析了結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位的應(yīng)力變形情況，給出了相應(yīng)部位的配筋原則。

關(guān)鍵詞：長河壩水電站；進(jìn)水口；抗震計(jì)算；有限元數(shù)值分析

1工程概述

工程場(chǎng)地地震基本烈度為Ⅷ度。據(jù)“四川省大渡河長河壩水電站防震抗震研究設(shè)計(jì)專題報(bào)告”的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，放空洞進(jìn)水口設(shè)計(jì)地震加速度代表值取222 gal。

由于放空洞進(jìn)水口具有塔體高、地震烈度大等特點(diǎn)，加之進(jìn)水口本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元分析。特別是在作為控制工況的地震工況下，對(duì)結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位的應(yīng)力、應(yīng)變情況需要有清楚的認(rèn)識(shí)。計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)的配筋具有一定的指導(dǎo)意義。

2計(jì)算模型

2.1模型及邊界條件

本次研究的對(duì)象是長河壩水電站放空洞進(jìn)水口塔體，相應(yīng)的計(jì)算模型是根據(jù)進(jìn)水塔布置圖、放空洞進(jìn)口結(jié)構(gòu)圖等相關(guān)資料建立的，模型包含塔體進(jìn)口流道底板、流道邊墻、流道頂部及塔身、門槽及二期混凝土、通氣孔、回填混凝土及周圍巖體。塔體計(jì)算模型以塔體為中心，底部混凝土建基面高程為1 585 m，塔高112 m，向前、后側(cè)巖體各取77 m和100 m，向左、右側(cè)巖體各取50 m，向下側(cè)巖體取100 m。塔體結(jié)構(gòu)三維有限元模型采用SOLID45實(shí)體八結(jié)點(diǎn)六面體及其退化的四面體單元。整個(gè)模型結(jié)點(diǎn)總數(shù)為67187，單元總數(shù)為60246。網(wǎng)格劃分考慮了結(jié)構(gòu)的受力特征，在可能發(fā)生應(yīng)力集中的部位密集一些，從塔體內(nèi)部流道周圍、門槽及通氣孔四周由內(nèi)往外逐漸放大單元尺寸。模型見圖1和圖2。

2.2計(jì)算荷載

根據(jù)計(jì)算工況及相應(yīng)的荷載組合，需要考慮的計(jì)算荷載包括：自重、靜水壓力、動(dòng)水壓力、揚(yáng)壓力、地震力、溫度應(yīng)力等。各項(xiàng)荷載按《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL5077-1997)以及《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL5073-2000)進(jìn)行考慮并施加到模型相應(yīng)的位置。

模型分析時(shí)，按常規(guī)計(jì)算方法進(jìn)行，采用無質(zhì)量地基、位移邊界法固定邊界約束。材料模型均采用線彈性本構(gòu)理論，動(dòng)力計(jì)算時(shí)均采用振型分解反應(yīng)譜法。

其中，上游正常蓄水位高程為1 690 m，校核洪水位高程為1 694.6 m。

給予常規(guī)方案進(jìn)行治療，包括藥物治療，如尼莫地平、腦蛋白水解物、胞磷膽堿及他汀類降脂藥等，并配合物理治療、常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練方法等進(jìn)行干預(yù)，主要包括肢體平衡訓(xùn)練、步態(tài)訓(xùn)練、語言及日常生活訓(xùn)練措施，每次訓(xùn)練時(shí)間為30～40 min，每日訓(xùn)練2次。時(shí)間為4周。

地震動(dòng)水壓力根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL5073-2000)按附加質(zhì)量考慮，將動(dòng)水壓力折算為與單位地震加速度相應(yīng)的結(jié)構(gòu)面附加質(zhì)量，實(shí)常數(shù)中設(shè)置了方向性。筆者考慮了塔外、塔內(nèi)三個(gè)方向的附加質(zhì)量，以Mass 21單元的形式計(jì)入模型中。

對(duì)于地震荷載，將水平面設(shè)計(jì)地震加速度代表值取222 gal。場(chǎng)地特征周期為0.2 s，混凝土的阻尼比為5%，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的代表值βmax為2.25。

塔體混凝土及回填混凝土均考慮溫降5 ℃。

2.3計(jì)算工況

圖1　整體模型示意圖

圖2　塔體模型(取一半)示意圖

放空洞進(jìn)口塔體結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析主要計(jì)算工況共計(jì)7種。各工況具體荷載組合說明見表1。

3計(jì)算結(jié)果及分析

說明：X方向?yàn)轫標(biāo)鞣较颍赶蛳掠螢檎?；Y方向?yàn)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。

3.1位移

在各工況下，塔體的位移場(chǎng)分布規(guī)律基本一致：綜合位移的最大值均出現(xiàn)在塔頂上游側(cè)角點(diǎn)處，結(jié)構(gòu)綜合位移表現(xiàn)為順?biāo)鞣较蜻f減和沿高程遞增的趨勢(shì)。在完建+溫降工況下，塔體的豎直方向位移最大，達(dá)到-11.745 mm，主要是由于結(jié)構(gòu)自重和混凝土溫降收縮造成。在各工況下，塔體結(jié)構(gòu)順?biāo)骱痛怪彼飨虻奈灰凭淮?，綜合位移表現(xiàn)為以豎直方向的位移為主。各工況下塔體結(jié)構(gòu)各向位移情況見表2。

表1　計(jì)算工況及荷載組合情況表

注：(1)電站設(shè)計(jì)洪水工況同正常蓄水工況；(2)放空工況塔前水位高程為1 658.5 m。

表2　各工況位移極值匯總表　/mm

3.2應(yīng)力

在各種工況下，塔體的應(yīng)力場(chǎng)符合一般規(guī)律。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在檢修工況，其值為2.59 MPa，位于閘門槽處。比較各靜力工況可以看出：在溫降工況下，由于混凝土材料與基巖材料熱膨脹系數(shù)的差異，塔體底板后部與塔背圍巖交接處以及塔體結(jié)構(gòu)內(nèi)部邊角點(diǎn)出現(xiàn)了較大的表層張拉應(yīng)力，因此，需關(guān)注塔體關(guān)鍵部位在溫度作用下的應(yīng)力變化。

底板結(jié)構(gòu)：底板部位最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在完建+溫降工況，最大拉應(yīng)力為1.99 MPa，表現(xiàn)為順?biāo)骱痛怪彼鞣较虻膹埨瓚?yīng)力為主。

表3　配筋計(jì)算結(jié)果匯總表

流道結(jié)構(gòu)：在邊墻對(duì)塔基底板兩側(cè)的擠壓作用以及水流對(duì)底板和邊墻的推力作用下，底板及流道表面出現(xiàn)張拉應(yīng)力，同時(shí)考慮溫降作用下混凝土的收縮，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在施工完建+溫降工況下，其值為2.44 MPa，垂直水流方向以張拉應(yīng)力為主。

閘門槽結(jié)構(gòu)：閘門槽部位最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在檢修工況，最大拉應(yīng)力為2.59 MPa，垂直水流方向以張拉應(yīng)力為主。

胸墻結(jié)構(gòu)：胸墻結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在施工完建+溫降工況，其值為1.1 MPa。該處的主拉應(yīng)力表現(xiàn)為以垂直水流方向的正應(yīng)力為主。

支鉸大梁：支鉸大梁的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在正常蓄水位擋水+地震工況，其值為0.86 MPa，位于支鉸大梁與邊墻交接處?？傮w來看，支絞大梁應(yīng)力較小。

4結(jié)語

通過三維有限元分析得知：長河壩水電站放空洞進(jìn)水口塔體整體應(yīng)力位移符合實(shí)際規(guī)律，除局部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象外，塔體整體應(yīng)力在混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度范圍之內(nèi)。設(shè)計(jì)方案合理，符合相關(guān)規(guī)范要求。通過計(jì)算結(jié)果整理出各部位的配筋，對(duì)工程技施設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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[4]郝文化. ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京：中國水利水電出版社,2005.

魯毅(1961-)，男，安徽蕪湖人，高級(jí)工程師，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；

李藝(1987-)，男，重慶長壽人，助理工程師，碩士，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

由中水五局公司總承包的阿賈哈拉水電站開工

2015年12月26日，由中水五局公司EPC總承包的多哥—貝寧阿賈哈拉水電站奠基儀式在該項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)隆重舉行。該水電站是中國、多哥、貝寧三國元首商定的三方合作的大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，是西非地區(qū)第一個(gè)跨界三方合作項(xiàng)目。多哥、貝寧兩國總統(tǒng)共同為阿賈哈拉項(xiàng)目奠基石揭幕。多哥、貝寧兩國能源部部長均對(duì)中國政府、中國進(jìn)出口銀行以及中國電建集團(tuán)的大力支持表示衷心地感謝！并表示項(xiàng)目建成后，將有效地促進(jìn)兩國電網(wǎng)建設(shè)，對(duì)兩國未來的電力供應(yīng)提供了堅(jiān)實(shí)的保障，為兩國今后的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展起到重大的推動(dòng)作用。多哥、貝寧兩國主要電視臺(tái)、主流媒體對(duì)該奠基儀式進(jìn)行了直播及專題報(bào)道。阿賈哈拉水電站采用EPC總承包管理模式，電站裝機(jī)容量14.7萬千瓦，年平均發(fā)電量為461千瓦時(shí)?？商峁┙?0 000個(gè)就業(yè)崗位，造福多哥、貝寧兩國人民。項(xiàng)目建成后，將有效緩解兩國對(duì)境外電力的依賴，每年等效減少二氧化碳排放15萬噸，促進(jìn)國內(nèi)電源結(jié)構(gòu)平衡，大幅降低電價(jià)水平，為兩國人民創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，不斷提升兩國人民的物質(zhì)文化生活品質(zhì)。

玉瓦水電站引水隧洞全線提前貫通

2015年12月25日，由中水五局一分局承建的玉瓦水電站全長7 777米的引水隧洞全線貫通，較計(jì)劃工期提前7天，為該工程順利完工贏得了寶貴的時(shí)間，受到了業(yè)主、監(jiān)理等的肯定和表揚(yáng)。玉瓦水電站位于四川省九寨溝縣境內(nèi)，是白水江干流水電規(guī)劃“一庫七級(jí)”開發(fā)方案中的第二級(jí)電站。閘址距九寨溝縣約74公里。工程樞紐由攔河閘壩、進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井、埋藏式壓力管道、地面廠房等建筑物組成。電站設(shè)計(jì)引用流量41立方米/秒，額定水頭135米，水庫正常蓄水位高程2 019米，總庫容13.24萬立方米，調(diào)節(jié)庫容8.45萬立方米，裝機(jī)容量4萬千瓦，年發(fā)電量2.046億千瓦時(shí)。該電站的建設(shè)對(duì)加快少數(shù)民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)白水江流域梯級(jí)滾動(dòng)開發(fā)具有重要意義。中水五局承建該電站首部樞紐及引水系統(tǒng)。

作者簡(jiǎn)介:

收稿日期:2015-11-05

文章編號(hào):1001-2184(2016)01-0032-03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV7；TV222