水電站進水塔三維有限元靜動力分析

劉 曜

（1.西安理工大學西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地 陜西 西安 710048；2.上海勘測設計研究院四川分公司 四川 成都 200434）

某電站進水口位于右壩肩上游，為直立式岸塔進水口，進水口前沿寬度23.5m，進口寬20.5m，共分4孔，每孔布置主副攔污柵兩道。進水口上下游方向總長為20m，分為兩段：攔污柵段和閘門段。在進水口平臺上設置一臺320kN雙向門式起重機及2500kN固定卷揚機，分別用于攔污柵和電站進水口事故檢修閘門的啟閉。進水塔頂部高程為805.0m，進水口底板高程775m，滿足死水位時發電要求。進水口閘門井段設1扇事故檢修閘門（寬9.0m×高9.5m）,閘門段后緊接15m長的漸變段引水洞。

1 計算模型

采用ANSYS有限元結構分析軟件對進水塔進行靜動力分析。塔體、地基、攔污柵框架均用六面或四面體、五面體塊單元模擬；地基接觸面用接觸單元模擬。網格離散如圖1。模型單元數：254823；節點數：107494。

進水塔與地基間的動力相互作用對進水塔的地震反應有一定影響。在地震反應分析中，以無質量地基底部均勻輸入的方式考慮地基與塔體的動力相互作用和地震動的輸入。為此，在有限元法的計算中，取下游、左右及深度方向約為1倍塔高范圍的無質量地基，以反映地基彈性影響。模型中的x軸指向下游，y軸指向左岸，z軸指豎直向上。對計算模型施加邊界約束和荷載。在地基底部施加三向約束，地基上、下游面及左、右側面施加法向連桿約束。

圖1 模型整體網格離散

庫水對塔體地震反應的影響有一定的影響。本次計算采用水工建筑物抗震規范第10.1.6條給定的方法確定附加質量，體現庫水和閘室內水體的動力影響。

圖2 塔體部分網格離散

2 計算荷載及計算工況

計算中需考慮以下荷載：自重、靜水壓力、動水壓力、揚壓力、地震力、浪壓力。各項荷載按《水工建筑物荷載設計規范》（DL5077-1997）以及《水工建筑物抗震設計規范》（DL5073-2000）進行考慮并施加到模型相應的位置。

計算地震分別考慮順水流和垂直水流兩個方向的地震作用。地震作用效應采用振型分解反應譜法。本分析計算取I類場地、反應譜特征周期Tg=0.21s，反應譜最大值的代表值βmax=2.25的巖基標準設計反應譜進行。

靜力分析工況及荷載組合見表1。

動力分析計算工況：工況6順水流向地震作用：工況7垂直水流方向地震作用。

表1 計算分析工況及荷載組合

3 計算成果與分析

本文采用三維有限元方法分別對工況1～工況7的應力和位移進行了計算，限于篇幅不再一一贅述，只給出部分計算結果。

3.1 自振特性分析

地震作用的動力分析采用振型分解反應譜法進行，參與振型取前20階。篇幅原因表2分別列出進水塔前8階自振頻率及周期，空庫是指不考慮水體的影響，滿庫是指考慮塔體周圍和塔內水體附加質量的影響。

第一振型以垂直于水流方向振動為主，第二振型以順水流方向為主，總的來說，沿各個方向（包括繞三個軸的轉動）的振型相應的頻率較分散，反應了進水塔設計斷面沿高度的質量、剛度分布均勻性較好，具有良好振動特性。進水塔前兩階示意圖見圖3和圖4。

圖3 進水塔結構的第1階振型圖

圖4 進水塔結構的第1階振型圖

表2 進水塔自振頻率

3.2 位移分析

各工況下位移成果詳見表3。

表3 各工況下位移成果

在靜荷載作用下，進水塔的總體位移最大值為3.4mm，發生在工況4；在動靜荷載作用下，總體位移為5.5mm。總體上說，塔體的整體變形不大。塔體門槽的位移較小，不會影響閘門的正常工作。因此，塔體結構的總體布置基本合理。

3.3 應力分析

在邊墩和中墩外側面上部有一定范圍的主拉應力區，除應力集中區以外，其值在0.5MPa至0.8MPa之間。在動靜荷載作用下，中墩外側面上攔污柵閘槽位置附近，有較大的主拉應力區，其最大值為1.0MPa；在橫梁端部與邊墩、中墩交界處產生局部拉應力區，特別是在地震，垂直水流方向地震作用下，其最大值為4MPa。

塔體前部橫梁中部下方受較大的拉應力，最大值為1.25MPa，發生在地震工況；在橫梁與中墩交界處產生較大的局部拉應力最大值約為3.77MPa。

4 結論

（1）在建基面上沿Z方向的正應力基本上為壓應力，其大小呈上游較小，下游較大，其抗滑穩定性的分析結果表明，塔體的穩定性符合規范要求。

（2）模態分析結果表明，進水塔在塔體受到水平向地震荷載作用時，塔體明顯出現拉應力，應適當增加鋼筋量，承擔地震荷載拉應力。

（3）塔體中心偏前，靜荷載作用下塔體有前傾的位移趨勢。

（4）塔體的綜合應力不很大。按有限元法計算，在塔身與事故閘門槽交匯處附近胸墻板出現了較大拉應力，主要是出現在邊緣應力集中區，且范圍很小。陜西水利

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