拉拉山水電站進水塔三維動力有限元分析

柳樹搖 李紅 李楨

摘 要：進水塔結構復雜，在高地震烈度區表現為復雜的動力特性，塔體結構的穩定性直接關系到結構的安全性及設計的合理性。文章采用三維動力有限元的方法，通過在人工邊界上輸入實測地震波來模擬地震作用，得到了進水塔結構動位移和動應力響應，并基于有限元計算結果進行了進水塔穩定性分析。計算結果表明，拉拉山水電站進水塔在地震作用下是穩定的。

關鍵詞：進水塔；有限元；動力分析

1 工程概況

拉拉山水電站位于甘孜州巴塘縣境內，電站為引水式開發，該電站位于巴楚河中游河段上，工程河段上起松多，下止措松龍，河段長23.5km，天然落差225m。電站閘址位于松多鄉松多村，正常蓄水位3004.00m，相應庫容106萬m3，電站裝機容量96MW，具有日調節性能。電站進水塔緊靠排污閘布置于左岸，進口分水角為64°51'59"。進水口由喇叭口、攔污柵、進水閘組成，總長36.2m。

2 巖體及混凝土靜、動力學參數

3 進水塔抗震分析及評價

3.1 計算方法及假定

利用ANSYS有限元分析程序建立三維有限元模型，地震作用采用時程分析法。本次分析計算中所利用的時間歷程分析理論的基本假定有：（1）庫水假定為不可壓縮流體，因此庫水對進水塔的動力作用即相當于附加質量。（2）地基為均勻體，并人為地截取一條邊界作為地震輸入邊界。在計算中假定地震運動沿人工邊界均勻輸入。（3）假定人工邊界范圍以內的地基是“無質量地基”，在形成整個系統的特征矩陣時，地基單元只考慮彈性，不考慮質量，以消除波的傳播效應，避免人為的放大作用。

3.2 地震波的選取

地震波是一個頻帶較寬的非平穩隨機振動，受各種因素影響而變化，采用時程法對結構進行地震分析時，輸入地震波不同，所得的地震反應相差較大，因此，合理選擇地震波進行直接動力分析是保證計算可靠性的重要保證。

拉拉山水電站的場地類別屬于III類，工程場地的地震基本烈度為Ⅷ度，進水塔未來50年超越概率為10%基巖地震動峰值加速度1.85m/s2，特征周期為0.4s，進水塔抗震分析計算中選擇場地實測波進行計算，本次計算考慮水平向地震波。地震波正向峰值加速度1.60m/s2，負向峰值加速度為-1.85m/s2。加速度時程曲線見圖1。

3.3 計算模型

計算模型模擬范圍包括塔體部分和地基部分，其中塔體部分的下部邊界取至底板下表面，高程2988.00m；平臺高程3005.50m，排架頂部高程3016.00m，計算模擬的總高度為28m。地基部分的上下游長約22m，左右兩側長約19.5m，與塔體兩側一致；地基深度取25m，即延伸約1.5倍最大塔高。坐標系的X軸取順水流方向，以指向上游為正；Y軸取垂直水流方向，指向右岸為正；Z軸取豎直方向，向上為正。符合右手螺旋定則。塔體及地基的三維有限元模型見圖2。

3.4 計算結果及分析

3.4.1 位移場分析

經比較，在t=13.22s時，進水塔結構綜合位移值較大。從整個時間歷程上看，順水流向位移Ux：對于塔體頂部，X向動位移最大值為-0.003mm，位于塔體頂部，出現時間為t=13.22s；X向動位移最小值為-0.01mm，出現時間為t=5.46s；對于排架，X向動位移最大值為2.84mm，位于啟閉機房頂部，出現時間為t=13.22s；X向動位移最小值-2.29mm，位于啟閉機房頂部處，出現時間為t=11.46s。豎向位移Uz：對于塔體頂部，Z向動位移最大響應為-0.162mm，出現時間為t=13.22s；Z向動位移最小響應為-0.163mm，出現時間為t=11.38s；對于排架，Z向動位移最大響應為-0.33mm，出現時間為t=11.46s；Z向動位移最小響應-0.55mm，出現時間為t=13.22s。

從時間點（塔體t=13.22s）的位移等值線圖上看，順水流向位移Ux：對于塔體和排架整體，X向動位移最大響應為2.92mm，位于排架頂部；上部排架X向動位移明顯大于下部塔體。垂直水流向位移Uy：對于塔體和排架整體，Y向動位移最大響應為0.23mm，位于明渠平臺邊緣；除去排架頂部，Y向動位移在-0.14mm～0.21mm范圍內。豎向位移Uz：對于塔體和排架整體，Z向動位移最大響應為0.65mm，位于排架頂的中部；Z向動位移分布趨勢為從上而下逐漸減小。綜合位移Usum：對于塔體和排架整體，綜合位移最大響應為2.92mm，位于塔體頂的中部；綜合位移以豎向位移為主，分布趨勢同豎向位移相似。進水塔排架啟閉機房頂部動位移最大，分布趨勢從上而下逐漸減小，整體動位移較小。

3.4.2 應力場分析

經比較，在t=11.87s時，進水塔結構動應力響應較大。從代表點的整個時間歷程上看，在t=11.87s時，進水塔動應力響應最大，此時整個結構以受壓為主；各應力關鍵點中σ1最大值為1.15MPa，位于進水口胸墻處d點，出現時間為t=11.87s；σ3最小值為-1.54MPa，位于排架底部e點，出現時間為t=7.54s。地震作用效應的計算結果表明，在塔體與排架結構結合部位、中間各層板梁結構、部分載面突變處會產生較高的應力集中，需要配筋處理，增強混凝土的抗拉性能。

從時間點（塔體t=11.87s）的應力等值線圖上看，第一主應力σ1：在地震作用下，第一主應力主要為拉應力，最大值為1.4MPa，為應力集中，未超過C25混凝土動態抗拉強度2.31MPa；除去應力集中區域，塔架大部分區域應力在1.0MPa以內；塔體第一主應力值較小。第三主應力σ3：在地震作用下，第三主應力主要為壓應力，最大壓應力為-5.52MPa，發生在進水塔胸墻部位；較大壓應力主要出現在上部排架柱的底部和各梁柱的連接處，除去應力集中區域，進水塔整體第三主應力值較小，大部分區域壓應力值在-3.5MPa以內，未超過C25混凝土動態抗壓強度21.71MPa。Z向正應力σz：塔體沿Z向以受壓為主，壓應力最小值為-3.1MPa；較大壓應力主要發生在排架柱底部；塔體Z向應力值較小，大部分區域應力值在-2.3MPa～-0.1MPa范圍內。巖基豎直向正應力σz：塔體底部基礎豎直向全部承受壓應力，最大豎直向壓應力-0.42MPa，發生塔體兩側明渠底部巖基，進水塔巖基動態承載力標準值為靜態承載力標準值的1.5倍，則動態承載力標準值為1.5MPa～1.8MPa，巖基最大豎向壓應力值小于巖基動態承載力標準值，滿足規范要求。

3.4.3 基于有限元計算結果的進水塔穩定計算

基于前面有限元動力的計算結果，對進水塔沿建基面的抗滑穩定進行計算分析。在地震波的作用下，進水塔沿建基面的抗滑穩定安全系數為6.20～8.60，均大于規范規定的抗滑穩定安全系數1.05，滿足規范要求，說明進水塔在地震工況作用下是安全穩定的。

3.5 進水塔抗震時程分析及評價

進水塔頂部動位移最大，分布趨勢從上而下逐漸減小，整體動位移不大，規律性合理；根據前面的有限元動力計算結果，進水塔動應力均小于混凝土強度設計值，基礎豎向應力均小于基礎承載力；采用基于有限元靜力計算成果的剛體極限平衡法，將進水塔在實測波作用下，沿建基面的抗滑安全穩定系數大于規范允許安全系數，進水塔沿建基面安全穩定。

4 結束語

文章采用三維有限元方法，對拉拉山水電站進水塔進行了三維動力分析，分析了其位移和應力響應，對分析了其抗滑穩定安全性。分析結果表明，進水塔在地震工況下，其結構應力、基礎承載力及抗滑穩定均滿足規范要求。為確保工程安全，建議加強地震動監測，密切關注震前、震后進水塔結構的位移和應力變化。同時，進水塔塔身結構體型力求簡單對稱，質量和剛度變化平緩，減少應力集中，并確保足夠剛度。塔體上部和后部與巖體緊貼，并在基礎部位布設固結灌漿，增加整體性。

參考文獻

[1]SL203-97.水工建筑物抗震設計規范[S].北京：水利電力出版社，1998.

[2]樂成軍，任旭華，邵勇，等.水電站進水塔結構抗震設計研究[J].水力發電，2009，35（5）：86-89.

[3]范書立，陳健云，陳明陽，等.水電站進水塔不同抗震驗算方法對比分析[J].人民長江，2011，42（17）：51-54.

[4]趙曉西，王宗敏，朱太山，等.ANSYS軟件在高進水塔靜動力分析中的應用[J].計算機應用，2005，31（3）：72-73.