進水塔底板抗震優化設計與有限元數值模擬

□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）

0 引言

進水塔是發電引水和泄洪系統中的咽喉性水工建筑物。強震區高進水塔的結構性能與安全關系到電站正常運行，甚至波及整個大壩與樞紐的安危，也是保障電站效益的關鍵性建筑物[1]。目前，我國西南強地震高發區域正規劃、設計或開工建設一批高壩大庫型水電工程項目，研究強地震激勵作用下高進水塔的力學行為和結構性能、選擇合理高效的數值分析方法、建立結構安全評價準則已經成為這類水工建筑物設計中至關重要的關鍵技術[2]。

進水塔在引水、泄洪系統投資中占據相當大的一部分，在確保結構安全的前提下確定合理的體型結構，對有效降低建設費用、控制電站投資成本具有重大的經濟價值[3]。

1 底板優化有限元模型

本部分比較研究共包含4個模型，塔體底板厚度度分別為2 m、3 m、4 m、6.67 m。

2 數值計算與分析

各種模型下，進水塔結構的位移總趨勢基本以流道中心線呈對稱分布。4個模型塔頂各向位移相差最大值為0.08 mm，出現在橫河向塔頂位移。可見底板厚度的變化對進水塔結構塔體位移影響很小，差別可忽略不計。

進水塔底板主要受到上部塔身、攔污柵框架自重、水荷載、地震激勵等載荷的聯合作用。各計算模型下的各方向上的拉應力峰值見表1。

表1 進水塔底板混凝土應力分量峰值表（MPa）

順河向拉應力σx：當水荷載作用于塔身時，一方面塔身自重使塔體向上游傾，另一方面水荷載推力使塔體向下游偏移，從而在塔體上游立面與底板的交角處（底板表層）、底板底面靠上游端部出現該方向上較大的拉應力。從計算結果來看，該方向上的拉應力峰值在模型1達到最大值5.22 MPa，在模型2達到最小值2.58 MPa，除模型1應力較大區域影響范圍稍大外，其余三個模型應力峰值區域基本一致。底板厚度太薄高應力區域可能會貫穿底板延伸到基巖，導致進水塔結構的破壞，底板厚度太厚不僅增加工程成本，而且對降低拉應力峰值及其影響區域效果并不明顯，甚至會導致拉應力峰值的增加，如模型3較模型2底板順河向拉應力峰值就增加了0.70 MPa。

豎向拉應力σy：拉應力出現范圍主要集中在攔污柵和底板混凝土的接觸位置，最大值出現在模型1為3.94 MPa。且應力峰值從模型1到模型4依次遞減。

橫河向拉應力σz：與順河向和豎向拉應力相比峰值較小，且影響范圍明顯減小，最大值出現在模型1為2.10 MPa。底板混凝土XY方向剪應力最大值出現在模型1為4.15 MPa。由計算結果可知模型1各方向應力峰值均較大，是最危險的模型，模型4應力峰值較小，但工程成本太大，設計較為保守且無實際需要。

3 結論

由進水塔底板優化模型計算位移和應力的結果，可以得到以下幾個結論：

第一，各種模型下，進水塔結構的位移總趨勢基本以流道中心線呈對稱分布。4個模型塔頂各向位移相差最大值為0.08 mm，出現在橫河向塔頂位移。可見底板厚度的變化對進水塔結構塔體位移影響很小，差別可忽略不計。

第二，由底板混凝土應力計算結果可知，除模型1應力較大區域影響范圍稍大外，其余三個模型應力峰值區域基本一致。底板厚度太薄高應力區域可能會貫穿底板延伸到基巖，導致進水塔結構的破壞，底板厚度太厚不僅增加工程成本，而且對降低拉應力峰值及其影響區域效果并不明顯，甚至會導致拉應力峰值的增加，如模型3較模型2底板順河向拉應力峰值就增加了0.70MPa。

第三，模型1各方向應力峰值均較大，是最危險的模型，模型4應力峰值較小，但工程成本太大，設計較為保守且無實際需要。模型2和模型3相對為較優工況，建議進水塔底板厚度取3～4m較為合理。

[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]李德玉,王海波,涂勁,等.拱壩壩體-地基動力相互作用的振動臺動力模型試驗研究[J].水利學報,2003(7)：30-35.

[3]方志,陸浩亮,王龍.土-結構動力相互作用研究綜述[J].世界地震工程,2006,22(1)：57-63.