孫 賓

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

本電站廠房的突出特點是建在砂礫石軟基上，地基的承載力較低，在自重和地震等荷載作用下，地基承載力必須滿足要求，地基的絕對沉降和機組段間、機組段與安裝間之間的不均勻沉降可能較為突出，可能對結(jié)構(gòu)安全和機組及吊車設(shè)備的正常運行產(chǎn)生不利影響。地震情況下，結(jié)構(gòu)的強度、剛度和抗震安全性也需要加以重點復核。在深入研究論證的基礎(chǔ)上，對地基強度和結(jié)構(gòu)安全作出科學評價，并為廠房的地基加固處理和廠房結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提供可靠依據(jù)和可行性建議。

1 工程概況

布侖口-公格爾水電站工程位于新疆阿克陶縣境內(nèi)，電站裝機容量200 MW，多年平均年發(fā)電量6.39×108kW·h，最大運行水頭為665.35 m，主廠房尺寸68.75 m×20.5 m×36.55 m(長×寬×高)，機組間距13.5 m。發(fā)電機層高程2 640.34 m，機組安裝高程為2 630.34 m，水輪機層高程為2 632.14 m，廠房底板高程2 624.29 m。廠房抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，廠房尺寸見圖1、圖2。

圖1 主廠房橫剖面圖

圖2 主廠房縱剖面圖

2 計算模型及網(wǎng)格剖分

本工程考慮實際情況，將電站廠房結(jié)構(gòu)進行適當簡化，取邊機組段廠房與安裝間的有限元模型進行整體結(jié)構(gòu)分析。計算以彈性結(jié)構(gòu)力學和結(jié)構(gòu)動力學理論為基礎(chǔ)，采用通用ANSYS程序進行分析。

布倫口水電站主廠房的主要特點是以地下大體積混凝土結(jié)構(gòu)為主，上下游面受上游副廠房和尾水副廠房邊墻和各層樓板的支撐作用，底部受基礎(chǔ)的約束作用，內(nèi)部有機墩、蝸殼等大體積混凝土結(jié)構(gòu)及樓板、墻體、立柱等結(jié)構(gòu)，上部是上下游墻、立柱、屋架等組成的框架結(jié)構(gòu)。噴嘴式蝸殼(配水環(huán)管)鋼板等的局部加強作用在廠房整體分析中可予以忽略。對主廠房，盡量按施工圖建立模型，忽略一些細部的結(jié)構(gòu)，邊機組有限元計算模型見圖3。計算模型包括主廠房邊機組段和安裝間段，兩者之間設(shè)置有結(jié)構(gòu)縫，一起建模是為了分析不同結(jié)構(gòu)形式間的相對位移和相互影響。

圖3 邊機組有限元模型

動力計算時，混凝土動彈模取為靜彈模的1.3倍。

在三維有限元靜動力計算的模型中，主要采用4種單元類型：

1) 8節(jié)點塊體單元：用于機墩、蝸殼、尾水管等水下結(jié)構(gòu)。

2) 板殼單元：用于樓板、墻體、風罩等厚度相對較薄的部位。

3) 三維梁、柱單元：用于廠房立柱及上部框架連桿。

4) 質(zhì)量單元：用于模擬廠房頂部的屋架重量等集中質(zhì)量體。

此外，在模型局部采用四面體實體單元、三角形殼單元作為過渡單元。

計算模型的總體坐標系取Z軸為垂直豎向，以2 630.34高程(安裝高程)處為原點，向上為正。X軸與Y軸為水平坐標，以機組中心為原點，X軸為縱向，正方向指向左側(cè)；Y軸為橫向，正方向指向上游側(cè)。

依據(jù)給出的各項荷載施加到結(jié)構(gòu)相應(yīng)部位，進行結(jié)構(gòu)的靜動力特性分析。地震響應(yīng)計算采用反應(yīng)譜法進行計算，其中峰值加速度為0.26 g，并按照0.35的折減系數(shù)進行承載力復核，場地特征周期取為0.40 s，設(shè)計反應(yīng)譜最大值取為2.25。同時分別計算順河向、橫河向、豎向地震單獨作用下結(jié)構(gòu)的震動反應(yīng)，其中橫河向和順河向的加速度幅值相同，豎向地震的加速度幅值采用橫河向的2/3進行計算。

3 計算方法及材料參數(shù)選擇

由于電站主廠房的結(jié)構(gòu)非常復雜，數(shù)值計算分析利用有限單元法進行。該方法計算的通用性和可靠性較好，計算的基礎(chǔ)參數(shù)見表1。

表1 基礎(chǔ)參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 靜力計算結(jié)果分析

結(jié)合計算結(jié)果提取結(jié)構(gòu)在5個高程、橫河向不同位置處的位移值，見表2。

表2 靜態(tài)荷載作用下結(jié)構(gòu)位移 /m

混凝土梁柱結(jié)構(gòu)不同高程處上游側(cè)豎向位移沿縱向分布見圖4。

注：高程處1，2，3，4，5分別代表高程2 655.34、2 650.84、2 645.54、2 640.34和2 632.14 m；主廠房、安裝間對應(yīng)的1、2、3、4分別表示4根柱位置處的位移，安裝間編號為安裝間最左側(cè)為4，依次向右側(cè)遞減，主機間編號為主機間最左側(cè)為4，依次向右側(cè)遞減。

由計算結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)的豎向位移整體上大于其他兩個方向的位移值，最大值達37.2 mm，說明來自結(jié)構(gòu)自重等豎向荷載產(chǎn)生的作用效應(yīng)表現(xiàn)最為明顯；對比圖4中3個圖可以看出，在各項靜態(tài)荷載作用下，主廠房、安裝間結(jié)構(gòu)整體向中間結(jié)構(gòu)縫處傾斜；結(jié)構(gòu)不同高程處的沉降規(guī)律基本一致，主要表現(xiàn)為從外側(cè)向內(nèi)側(cè)傾斜；結(jié)構(gòu)縫處主廠房和安裝間之間沉降的數(shù)值也處于同一水平。

4.2 地基承載力復核分析

地基特征點分布見圖5。

圖5 地基特征點分布圖

靜態(tài)荷載作用下各特征點處豎向應(yīng)力值見表3。從表3可以看出，結(jié)構(gòu)在各項靜荷載作用下，地基局部位置處較小范圍內(nèi)的應(yīng)力值達510 kPa，略大于地基承載力500 kPa，但屬于角緣的應(yīng)力集中現(xiàn)象；表3中特征點6和特征點8處的豎向應(yīng)力值為412和393 kPa，均小于地基承載力。

表3 靜力荷載作用下地基特征點豎向應(yīng)力 /kPa

從橫河向地震荷載作用下地基應(yīng)力云圖、順河向地震荷載作用下地基應(yīng)力云圖和豎向地震荷載作用下地基應(yīng)力云圖中可以反映出，結(jié)構(gòu)在各方向地震荷載單獨作用下，地基豎向應(yīng)力值均小于地基允許承載力500 kPa，其中豎向應(yīng)力最大值發(fā)生在橫河向地震荷載作用下為121 kPa；順河向地震荷載作用下為86 kPa，豎向地震荷載作用下為93 kPa。

地震工況與靜力荷載的組合作用見表4，靜態(tài)作用下的豎向應(yīng)力個別點的豎向應(yīng)力，已經(jīng)達到400 kPa，比較接近于允許承載力。單方向水平地震作用所產(chǎn)生的豎向應(yīng)力最大為121 kPa。按照水平地震作用效應(yīng)的平方和開方再與0.5倍豎向地震作用效用進行疊加的原則，計算得到三向地震作用下的綜合地震動作用效應(yīng)，最大值為157.9 kPa，出現(xiàn)在典型點4，與靜力作用效應(yīng)進行疊加。總體上評價地基整體的承載力是滿足要求的，在局部地區(qū)(如4號點、6號點和8號特征點附近，即地基邊緣和結(jié)構(gòu)分縫下游等位置)豎向應(yīng)力會超過地基允許承載力(500 kPa)，不能夠完全滿足地基承載力復核要求，但超出的幅度有限，且高應(yīng)力區(qū)的范圍很小。

表4 地基各特征點的豎向應(yīng)力 /kPa

5 結(jié) 論

結(jié)構(gòu)在靜態(tài)荷載作用下，地基一定范圍內(nèi)(主要是地基基礎(chǔ)的邊緣)的豎向應(yīng)力大于地基基礎(chǔ)允許承載力(500 kPa)；各向地震荷載單獨作用下，基礎(chǔ)豎向應(yīng)力值較小，可以滿足承載力要求；但若考慮靜態(tài)荷載與地震的組合作用，則地基基礎(chǔ)部分區(qū)域的豎向應(yīng)力將超過地基允許承載力，但超限的幅度很小，超限范圍區(qū)域也很小。綜合分析認為，由于廠房的重量相對較輕，大部分區(qū)域的豎向應(yīng)力可以滿足地基承載力要求，但局部區(qū)域不能完全滿足承載強度要求。本工程廠房地基的允許承載力指標相對較低，安全裕度不高，主廠房基礎(chǔ)采用固結(jié)灌漿，以提高地基的承載力強度，同時也對增強地基的防滲能力、提高地基的抗液化性能、降低地基沉降和不均勻變形有利。