基于反應譜和時程法的深孔放空洞進水塔三維有限元動力分析

□ 吳建興 □ 韓俊嶺

（1河南天禹水利工程建設有限責任公司 2河南五建建設集團有限公司）

1 工程概況

某水電站位于雅礱江干流上，以發電為主，并具有蓄水蓄能、分擔長江中下游防洪任務、改善長江航道枯水期航運條件的功能和作用。電站采用壩式開發，壩型為礫石土心墻堆石壩，最大壩高達305m，居世界同類壩型前列。

放空洞和后期導流洞結合，布置于河道左岸砂板巖體內，洞線順直。放空洞由進口、無壓隧洞段、出口挑坎段等組成。放空洞進水塔底高程為2745m，建基面高程為2739m，塔頂高程為2875m，進水塔塔體尺寸為55m×24m×136m（長×寬×高），基礎置于Ⅲ2類巖體上面。進水塔內設事故檢修閘門二道，工作閘門一道，事故檢修閘門尺寸為7m×13m（寬×高）,工作閘門尺寸為7m×11.50m（寬×高）。隧洞為無壓明流洞，長度約1355m，斷面形式為圓拱直墻型，底寬10m，高約14m，出口采用挑流消能。

本工程地震基本烈度為Ⅶ度，深孔放空洞進水塔體高度為136m，對于這樣的高烈度地震區的高塔體結構，僅依靠簡單的結構力學計算無法準確地描述出塔體內部的應力及位移的分布情況。因此，有必要對該水電站深孔放空洞進水塔體結構進行三維有限元動力分析研究，以評價進水塔體結構的抗震安全性，推薦抗震安全的結構措施，探討優化塔體體型的可能性，使進水塔體達到技術可行、結構安全、經濟指標最優。放空洞動力計算分別采用振型分解反應譜法和時程分析法。

2 有限元模型

有限元計算模型包括進水塔塔身整體結構以及相應的巖石基礎。塔體和基巖均按照六/五面體8/6節點三維實體單元離散，按照真實設計尺寸建立有限元模型；考慮基巖各地層風化條件、施工開挖的強弱卸載條件影響。網格剖分注意混凝土結構的受力特點，在喇叭口頂板、底板、檢修門井、工作門井周邊、工作弧門支座、漸變段、建基面等孔洞周邊和截面發生突變的部位適當加密。

放空洞進水塔塔身混凝土結構有限元單元剖分計算模型見圖1。

圖1 有限元模型材料分區圖

3 振型分解反應譜法計算結果

進水塔地震動力響應應力分析考慮100年超越概率2%設計地震動反應譜設防等級。采用振型分解反應譜方法進行有限元分析。

由計算成果可知，水平順河向與垂直地震聯合作用的工況，動力響應以激勵方向即水平順河向與垂直向為主，拉應力以豎向正應力σy為主，最大值發生在塔背與塔背回填混凝土接觸處（約2820.00m高程），水平順河向拉應力σx峰值也出現在該處。但是它們的影響范圍均比較小，衰減很快。水平橫河向拉應力σz峰值發生在流道周邊等，為幾何突變處的應力集中現象。

水平橫河向與垂直地震聯合作用的工況，動力響應也以激勵方向即水平橫河向與垂直向為主，拉應力以垂直向正應力σy為主，最大值發生在塔體與塔身左側回填混凝土相接觸的地方（約2805.00m高程）。但其影響范圍較小，衰減很快。在塔體左側2795～2805m高程，水平橫河向正應力σz與順河向正應力σx也出現了比較大的拉應力值。但水平橫河向拉應力峰值出現在工作弧門閘室支撐與邊墻相連接的幾何突變處，為應力集中現象。

4 時程法計算結果

進水塔在地震作用下其重要部位的應力動力響應峰值及發生的時間見表1。

表1 地震激勵下進水塔重要部位應力峰值表

從計算結果可知:動力時程分析的應力成果基本規律與反應譜的成果基本一致。水平順河向正應力σx與豎向正應力σy的高應力區主要分布在塔背和兩側邊墻，特別是回填混凝土與塔身接觸的部位，拉應力峰值一般出現在這些地方。且豎向正應力σy的高拉應力區域較大。水平橫河向正應力σz的高拉應力區主要分布在喇叭口上唇和流道底板的前端，其余部位，σz一般不超過0.50MPa。底板豎向正應力σy的值一般不超過0.50MPa，峰值出現在前端邊墻與底板相貫處，為幾何突變處的應力集中現象，衰減較快，高拉應力值分布的范圍很小。建基面巖石上未出現豎向的拉應力。

5 結論

利用反應譜方法進行動力響應分析時，塔體背部與回填混凝土接觸的部位出現了比較高的順河向及豎向拉應力值。高拉應力值與線性材料模型的假定有關。高應力區主要分布在塔背回填混凝土接觸部位、門槽、喇叭口上唇、流道周邊表面以及弧門支座處。這些部位局部需要加強配筋。

由于反應譜方法是按最大地震作用計算結構的地震反應，得到的應力值偏大且均為正值，導致與靜力計算的結果疊加以后建基面巖石局部出現微拉應力值。動力時程分析可以克服這個缺陷，時程分析中建基面巖石上未出現拉應力。

建基面巖石壓應力較小，壓應力峰值不超過0.50MPa，對塔體的基礎承載力有益。地震激勵作用下動力響應有明顯的局部性，塔體結構關鍵部位如:塔背、喇叭口上唇、弧門支座以及閘室邊墻的拉應力峰值相對較高，是抗震設防的主要部位。

[1]李付長.白龜山水庫堤壩地震可液化地基的抗震處理[J].人民黃河,2010,32（7）:116-119.

[2]費康.ABAQUS軟件在高進水塔動力分析中的應用[J].水利與建筑工程學報,2008,6（4）:10-12.

[3]姜燕,樂金朝.動水動土共同作用下重力壩的地震響應分析[J].人民黃河,2010,32（2）:105-108.