長河壩水電站放空洞進水口結構三維有限元分析

魯　毅，　李　藝

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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長河壩水電站放空洞進水口結構三維有限元分析

魯毅，李藝

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：采用三維有限元方法，對長河壩水電站放空洞進水口結構進行了整體應力和變形分析，得到了靜力和動力等多種工況下結構的應力變形分布規律。根據計算成果，重點分析了結構各關鍵部位的應力變形情況，給出了相應部位的配筋原則。

關鍵詞：長河壩水電站；進水口；抗震計算；有限元數值分析

1工程概述

工程場地地震基本烈度為Ⅷ度。據“四川省大渡河長河壩水電站防震抗震研究設計專題報告”的抗震設防標準，放空洞進水口設計地震加速度代表值取222 gal。

由于放空洞進水口具有塔體高、地震烈度大等特點，加之進水口本身結構復雜，因此，有必要對其結構進行三維有限元分析。特別是在作為控制工況的地震工況下，對結構各關鍵部位的應力、應變情況需要有清楚的認識。計算結果對結構的配筋具有一定的指導意義。

2計算模型

2.1模型及邊界條件

本次研究的對象是長河壩水電站放空洞進水口塔體，相應的計算模型是根據進水塔布置圖、放空洞進口結構圖等相關資料建立的，模型包含塔體進口流道底板、流道邊墻、流道頂部及塔身、門槽及二期混凝土、通氣孔、回填混凝土及周圍巖體。塔體計算模型以塔體為中心，底部混凝土建基面高程為1 585 m，塔高112 m，向前、后側巖體各取77 m和100 m，向左、右側巖體各取50 m，向下側巖體取100 m。塔體結構三維有限元模型采用SOLID45實體八結點六面體及其退化的四面體單元。整個模型結點總數為67187，單元總數為60246。網格劃分考慮了結構的受力特征，在可能發生應力集中的部位密集一些，從塔體內部流道周圍、門槽及通氣孔四周由內往外逐漸放大單元尺寸。模型見圖1和圖2。

2.2計算荷載

根據計算工況及相應的荷載組合，需要考慮的計算荷載包括：自重、靜水壓力、動水壓力、揚壓力、地震力、溫度應力等。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。

模型分析時，按常規計算方法進行，采用無質量地基、位移邊界法固定邊界約束。材料模型均采用線彈性本構理論，動力計算時均采用振型分解反應譜法。

其中，上游正常蓄水位高程為1 690 m，校核洪水位高程為1 694.6 m。

給予常規方案進行治療，包括藥物治療，如尼莫地平、腦蛋白水解物、胞磷膽堿及他汀類降脂藥等，并配合物理治療、常規康復訓練方法等進行干預，主要包括肢體平衡訓練、步態訓練、語言及日常生活訓練措施，每次訓練時間為30～40 min，每日訓練2次。時間為4周。

地震動水壓力根據《水工建筑物抗震設計規范》(DL5073-2000)按附加質量考慮，將動水壓力折算為與單位地震加速度相應的結構面附加質量，實常數中設置了方向性。筆者考慮了塔外、塔內三個方向的附加質量，以Mass 21單元的形式計入模型中。

對于地震荷載，將水平面設計地震加速度代表值取222 gal。場地特征周期為0.2 s，混凝土的阻尼比為5%，設計反應譜最大值的代表值βmax為2.25。

塔體混凝土及回填混凝土均考慮溫降5 ℃。

2.3計算工況

圖1　整體模型示意圖

圖2　塔體模型(取一半)示意圖

放空洞進口塔體結構靜動力分析主要計算工況共計7種。各工況具體荷載組合說明見表1。

3計算結果及分析

說明：X方向為順水流方向，指向下游為正；Y方向為橫水流方向；Z方向為豎直方向，向上為正，方向符合右手法則。

3.1位移

在各工況下，塔體的位移場分布規律基本一致：綜合位移的最大值均出現在塔頂上游側角點處，結構綜合位移表現為順水流方向遞減和沿高程遞增的趨勢。在完建+溫降工況下，塔體的豎直方向位移最大，達到-11.745 mm，主要是由于結構自重和混凝土溫降收縮造成。在各工況下，塔體結構順水流和垂直水流向的位移均不大，綜合位移表現為以豎直方向的位移為主。各工況下塔體結構各向位移情況見表2。

表1　計算工況及荷載組合情況表

注：(1)電站設計洪水工況同正常蓄水工況；(2)放空工況塔前水位高程為1 658.5 m。

表2　各工況位移極值匯總表　/mm

3.2應力

在各種工況下，塔體的應力場符合一般規律。最大拉應力出現在檢修工況，其值為2.59 MPa，位于閘門槽處。比較各靜力工況可以看出：在溫降工況下，由于混凝土材料與基巖材料熱膨脹系數的差異，塔體底板后部與塔背圍巖交接處以及塔體結構內部邊角點出現了較大的表層張拉應力，因此，需關注塔體關鍵部位在溫度作用下的應力變化。

底板結構：底板部位最大拉應力出現在完建+溫降工況，最大拉應力為1.99 MPa，表現為順水流和垂直水流方向的張拉應力為主。

表3　配筋計算結果匯總表

流道結構：在邊墻對塔基底板兩側的擠壓作用以及水流對底板和邊墻的推力作用下，底板及流道表面出現張拉應力，同時考慮溫降作用下混凝土的收縮，最大拉應力出現在施工完建+溫降工況下，其值為2.44 MPa，垂直水流方向以張拉應力為主。

閘門槽結構：閘門槽部位最大拉應力出現在檢修工況，最大拉應力為2.59 MPa，垂直水流方向以張拉應力為主。

胸墻結構：胸墻結構最大拉應力出現在施工完建+溫降工況，其值為1.1 MPa。該處的主拉應力表現為以垂直水流方向的正應力為主。

支鉸大梁：支鉸大梁的最大拉應力出現在正常蓄水位擋水+地震工況，其值為0.86 MPa，位于支鉸大梁與邊墻交接處?？傮w來看，支絞大梁應力較小。

4結語

通過三維有限元分析得知：長河壩水電站放空洞進水口塔體整體應力位移符合實際規律，除局部位置出現應力集中現象外，塔體整體應力在混凝土抗拉、抗壓強度范圍之內。設計方案合理，符合相關規范要求。通過計算結果整理出各部位的配筋，對工程技施設計具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]DL5073-2000，水工建筑物抗震設計規范[S].

[2]DL/T5398-2007，水電站進水口設計規范[S].

[3]趙曉西. 進水塔三維有限元分析[C]. 鄭州大學,2001,5～7.

[4]郝文化. ANSYS土木工程應用實例[M]. 北京：中國水利水電出版社,2005.

魯毅(1961-)，男，安徽蕪湖人，高級工程師，從事水工結構設計工作；

李藝(1987-)，男，重慶長壽人，助理工程師，碩士，從事水工結構設計工作.

(責任編輯：李燕輝)

由中水五局公司總承包的阿賈哈拉水電站開工

2015年12月26日，由中水五局公司EPC總承包的多哥—貝寧阿賈哈拉水電站奠基儀式在該項目施工現場隆重舉行。該水電站是中國、多哥、貝寧三國元首商定的三方合作的大型基礎設施項目，是西非地區第一個跨界三方合作項目。多哥、貝寧兩國總統共同為阿賈哈拉項目奠基石揭幕。多哥、貝寧兩國能源部部長均對中國政府、中國進出口銀行以及中國電建集團的大力支持表示衷心地感謝！并表示項目建成后，將有效地促進兩國電網建設，對兩國未來的電力供應提供了堅實的保障，為兩國今后的經濟和社會發展起到重大的推動作用。多哥、貝寧兩國主要電視臺、主流媒體對該奠基儀式進行了直播及專題報道。阿賈哈拉水電站采用EPC總承包管理模式，電站裝機容量14.7萬千瓦，年平均發電量為461千瓦時?？商峁┙?0 000個就業崗位，造福多哥、貝寧兩國人民。項目建成后，將有效緩解兩國對境外電力的依賴，每年等效減少二氧化碳排放15萬噸，促進國內電源結構平衡，大幅降低電價水平，為兩國人民創造巨大的經濟效益，不斷提升兩國人民的物質文化生活品質。

玉瓦水電站引水隧洞全線提前貫通

2015年12月25日，由中水五局一分局承建的玉瓦水電站全長7 777米的引水隧洞全線貫通，較計劃工期提前7天，為該工程順利完工贏得了寶貴的時間，受到了業主、監理等的肯定和表揚。玉瓦水電站位于四川省九寨溝縣境內，是白水江干流水電規劃“一庫七級”開發方案中的第二級電站。閘址距九寨溝縣約74公里。工程樞紐由攔河閘壩、進水口、引水隧洞、調壓井、埋藏式壓力管道、地面廠房等建筑物組成。電站設計引用流量41立方米/秒，額定水頭135米，水庫正常蓄水位高程2 019米，總庫容13.24萬立方米，調節庫容8.45萬立方米，裝機容量4萬千瓦，年發電量2.046億千瓦時。該電站的建設對加快少數民族地區經濟發展，實現白水江流域梯級滾動開發具有重要意義。中水五局承建該電站首部樞紐及引水系統。

作者簡介:

收稿日期:2015-11-05

文章編號:1001-2184(2016)01-0032-03

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7；TV222