沙灣電站2#機度汛洪水過流封蓋三維有限元計算分析

徐 駿 單智杰 喻桂成

（1.鎮(zhèn)江市工程勘測設(shè)計研究院 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.四川省水利水電勘測設(shè)計研究院 四川 成都 610072；3.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司 江蘇 揚州 225127）

1 引言

沙灣水電站工程位于四川省樂山市境內(nèi)，為大渡河干流下游梯級開發(fā)中的第一級，壩址位于大渡河沙灣區(qū)葫蘆鎮(zhèn)河段，距上游已建銅街子電站11.5km，距離樂山市城區(qū)44.5km。該工程的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧灌溉和航運功能。電站裝機容量480MW，額定水頭24.5 m，正常蓄水位432.0 m，設(shè)計引用流量2203.2m3/s，保證出力151MW，年利用小時數(shù)5015 h，年發(fā)電量24.07億kW·h。總庫容4867萬m3，正常蓄水位以下庫容4554萬m3，壩軸線長699.82 m，為一級混合式（河床式廠房加長尾水渠）開發(fā)。

大渡河沙灣水電站主體工程分兩期完成，一期包括右岸接頭壩段、廠房儲門槽壩段、廠房壩段、5孔沖沙閘，在一期圍堰保護下全年施工。二期工程包括剩余5孔泄洪閘、左岸非溢流壩，在二期圍堰保護下枯水期施工，二期圍堰設(shè)計為汛期過流圍堰，在汛期過流泄洪。在二期工程完成前利用二期圍堰擋水發(fā)電，水庫水位427.00 m，距離電站正常蓄水位432.00 m差5 m。在工程建設(shè)過程中，為確保汛期之前完成二期主體工程建設(shè)，須利用汛期前段進行二期永久防滲墻施工，因此要求在汛期盡量避免二期圍堰過水或者減少二期圍堰過水頻次，因此論證在未安裝轉(zhuǎn)輪等部件的情況下對3#機組和2#機組導水機構(gòu)進行局部封堵后利用機組流道泄洪過流。本次研究主要對2#機鋼結(jié)構(gòu)封蓋建立三維有限元整體模型，并進行三維線彈性計算，分析不同汛期洪水過流工況下封蓋的三維受力特點。

2 工況設(shè)計與基本計算參數(shù)

2.1 計算工況

沙灣水電站工程2#機度汛洪水過流封蓋為典型的圓臺型三維鋼結(jié)構(gòu)受力體系，為了深入研究設(shè)計中存在的一些技術(shù)問題，了解封蓋各部位的應(yīng)力分布狀態(tài)，擬采用三維有限元法對封蓋進行計算。選取封蓋過流為汛期洪水，該工況下封蓋內(nèi)壓水頭25.21 m，無外壓，封蓋底部利用螺栓固定。

2.2 計算參數(shù)的選取

鋼材重度：γ=7.85 t/m3

鋼材泊松比：υ=0.3

鋼材彈性模量：E=2.06×105MPa

重力加速度：g=9.81m/s2

3 計算方法與軟件分析

本次計算采用國際上較為流行的大型通用有限元分析軟件ANSYS。ANSYS軟件是第一個通過ISO9001質(zhì)量認證的大型分析設(shè)計類軟件，是美國機械工程師協(xié)會（ASME）、美國核安全局（NQA）及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認證的標準分析軟件，在國內(nèi)第一個通過了中國壓力容器標準化技術(shù)委員會認證并在國務(wù)院十七個部委推廣使用，目前在水電行業(yè)應(yīng)用也較為廣泛。經(jīng)其他工程計算驗證，其精度可以滿足行業(yè)的需要[4～6]。

ANSYS軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料，可進行結(jié)構(gòu)分析（包括線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析以及多物理場的耦合分析[7～8]，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力，其計算分析功能十分強大，同時其方便易用且功能出眾的前、后處理模塊可節(jié)省大量時間。

4 計算模型及邊界條件處理

為了計算封蓋各部位應(yīng)力分布，選取整個封蓋為計算模型，實體模型見圖1。整個模型剖分單元為四節(jié)點殼體單元，每個節(jié)點有UX、UY、UZ、ROT X、ROTY、ROTZ（X、Y、Z方向的平動位移；X、Y、Z方向的轉(zhuǎn)動位移）六個自由度，剖分后的網(wǎng)格圖見圖2。計算模型應(yīng)用的坐標系為：由于封蓋為豎向軸對稱結(jié)構(gòu)，取對稱軸為Z軸，向上為正；X、Y平面垂直Z軸，三個坐標軸符合右手螺旋法則，坐標示意圖見圖1所示。封蓋底部固結(jié)，其余部位自由。

圖1 封蓋三維結(jié)構(gòu)模型

圖2 封蓋網(wǎng)格剖分圖

5 結(jié)果分析

為了更好地顯示封蓋上應(yīng)力分布，并根據(jù)有限元計算得出的應(yīng)力分布圖驗算結(jié)構(gòu)尺寸是否合理，計算中采用整體坐標系提取應(yīng)力圖形，其中主拉應(yīng)力（S1）為正，主壓應(yīng)力（S3）為負，單位為MPa。有限元計算的結(jié)果如下：

（1）封蓋頂板頂面S1（主拉應(yīng)力）、S3（主壓應(yīng)力）等值線圖。

（2）封蓋頂板底面S1（主拉應(yīng)力）、S3（主壓應(yīng)力）等值線圖。

表1 封蓋主拉、壓應(yīng)力表

圖3 封蓋頂板頂面主拉應(yīng)力S1等值線圖

圖4 封蓋頂板頂面主壓應(yīng)力S3等值線圖

圖5 封蓋頂板底面主拉應(yīng)力S1等值線圖

圖6 封蓋頂板底面主壓應(yīng)力S3等值線圖

通過對沙灣水電站工程鋼結(jié)構(gòu)封蓋進行三維有限元計算和對計算結(jié)果分析表明（如表1）：在汛期洪水過流工況下，封蓋周圍應(yīng)力分布較為合理，都在材料允許應(yīng)力以內(nèi)，封蓋最大拉、壓應(yīng)力都出現(xiàn)在封蓋頂板與肋板焊縫處，最大拉應(yīng)力為49.24 MPa，最大壓應(yīng)力為42.94 MPa。

可見，在三維應(yīng)力狀態(tài)下，封蓋在汛期洪水過流工況下，封蓋頂板中部和肋板焊縫連接處應(yīng)力較大，但均未超出Q 235鋼板以及焊接材料的允許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)是安全的。

6 結(jié)論

論文應(yīng)用ANSYS軟件進行了鋼結(jié)構(gòu)封蓋三維模型，并通過有限元分析對鋼結(jié)構(gòu)封蓋的受力情況進行模擬計算。計算結(jié)果表明在汛期洪水過流情況下，封蓋周圍應(yīng)力分布較為合理，其中封蓋頂板中部和肋板焊縫連接處應(yīng)力較大，但未超出材料允許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全。該設(shè)計滿足機組導水機構(gòu)的度汛需要，也可作為類似設(shè)計工作的參考。

[1]中華人民共和國電力行業(yè)標準.《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》（DL5077-1997）[S],中國電力出版社,1998.

[2]中華人民共和國國家標準.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）[S],中國計劃出版社,2003.

[3]朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用(第二版)[M].北京∶水利電力出版社,1998.

[4]潘家軍,徐遠杰,費勝.水電站預應(yīng)力閘墩三維有限元分析[J].中國農(nóng)村水利水電,2007,(9)∶92-95.

[5]徐遠杰,唐碧華.三板溪大噸位預應(yīng)力中墩三維有限元分析[J].武漢大學學報(工學版),2004,(4)∶1-6.

[6]陳勇,井增虎,張雄.某水電站新型預應(yīng)力閘墩三維有限元分析[J].三峽大學學報(自然科學版),2008,(4)∶11-14.

[7]馮興中,石廣斌.壩后背管結(jié)構(gòu)有限元分析探討[J].西北水電,2003,(3)∶17-19.

[8]王剛,任德記,陸美霞,張超.黃河積石峽水電站壓力管道非線性有限元分析[J].災害與防治工程,2010,(1)∶1-5.