高海拔寒冷地區某水電站泄洪洞進水塔抗震安全分析

姚英全,李 超,李躍濤,王 偉

(1.西藏開發投資集團有限公司,拉薩 850000;2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

水電站建筑物中，泄洪洞進水塔結構為重要建筑物，進水塔自身的結構安全，保證水電站泄洪功能的實現。關于進水塔抗震安全分析的相關研究成果較多，石廣斌認為塔體底部與地基之間的接觸面應避免使用接觸單元，減小抗震計算模型誤差[1]；邵明磊的研究表明反應譜法計算的抗震側向穩定系數較擬靜力法偏大[2]；程琦認為塔后回填混凝土和塔間連系梁對塔體前5階自振頻率有較大影響[3]；郭浩洋對某進水塔頂部排架結構進行了分析研究[4]；但尚無關于在高海拔寒冷地區的進水塔抗震分析文獻，此種特殊環境的進水塔，塔身運行期容易受到庫水表面冰壓力作用，且高海拔地區重力加速度受海拔高度的影響容易被忽略。本文以高海拔寒冷地區某水電站泄洪洞進水塔為例，考慮高海拔對重力加速度的影響以及寒冷地區水庫庫周冰層對塔體的冰壓力作用，進行了抗震安全分析，為進水塔抗震安全分析提供借鑒案例。

1 工程概況

某水電站位于西藏海拔3 500.00 m以上的高海拔寒冷地區，地勢高，氣候寒冷干燥，晝夜溫差大，冰雪期長。工程規模為Ⅰ等大(1)型工程，泄洪洞進水塔為1級建筑物，抗震設計烈度為Ⅶ度，場地類別為Ⅰ類，設計地震加速度的概率水準為100年超越概率2%，加速度峰值0.239g。

泄洪洞布置于左岸溢洪道左側，為有壓泄洪洞型式，建筑物由進水塔、壓力隧洞、工作閘門室、無壓隧洞、挑流鼻坎組成，建筑物全長930 m。泄洪洞進水口采用岸塔式，進水口頂板采用橢圓曲線，曲線方程為x2/92+y2/32=1，兩側采用橢圓曲線，曲線方程為x2/62+y2/22=1。泄洪洞進口底板高程為3 812.00 m，底板厚5.0 m，塔頂高程3 897.00 m，塔高90 m，塔寬23 m，順水流方向長度15.0 m。進水塔內設有事故檢修門一道，事故檢修門孔口尺寸7.0 m×9.0 m(寬×高)。泄洪洞進水塔體型如圖1～2。

圖1 進水塔上游立視 單位：cm

圖2 進水塔縱剖面 單位：cm

泄洪洞進水塔位于左岸緩坡山梁，巖性為薄層狀砂質板巖，位于弱風化中部，屬Ⅲ2類巖體。

2 計算模型、參數及作用組合

2.1 計算模型

地震作用時，考慮水體產生對塔體的動水壓力，在塔體表面施加質量單元。圍巖地基參數不考慮自身質量，彈性模量取7 GPa，泊松比取0.25。模型在3個方向均取大于200 m的范圍，以反映地基對塔體動態響應特性影響[5]。地基水平向邊界按法向約束，底部邊界按三向約束，塔體與冰層接觸部位按法向約束[6]。整體有限元模型見圖3，劃分網格后產生單元數105 829，節點數51 983[7]。塔體有限元模型見圖4，其中塔體單元數30 778，節點數37 289[8]。坐標系采用直角坐標系，坐標原點位于進水塔底板底高程上游面的中點處，X軸正方向為塔體順水流向，Y軸正方向為塔體左岸水平向，Z軸正方向為豎直向上方向[9]。

圖3 整體有限元模型

圖4 塔體有限元模型

2.2 計算參數

(1)混凝土

本次計算所采用的物理力學參數見表1[10]。

表1 混凝土參數

(2)重力加速度

該水電站地處高海拔地區，進水塔自重及地震峰值加速度與當地的重力加速度相關[11]。根據1980年大地參考系，正常重力公式為：

gφ,1980=9.780327(1+0.00530244sin2φ-0.00000585

sin22φ)

(1)

公式(1)中：φ為計算點緯度,rad。

與正常重力公式對應的隨高度變化計算公式為：

(2)

經估算，高度每增加1 m，重力值減小約3.09×10-6m/s2，該水電站所在縣城緯度為31.88°，海拔3 980.00 m，根據公式(1)可得出對應緯度下海拔高度為零的重力值，根據公式(2)進行海拔高度修正，可得到該水電站所在地重力加速度為9.79473 m/s2，比標準正常重力加速度9.80665 m/s2降低0.01192 m/s2。計算時，根據上述重力加速度調整。

(3)冰壓力

該水電站地處寒冷地區，地勢高，氣候寒冷干燥，晝夜溫差大，冰雪期長。計算考慮靜冰壓力對進水塔的影響。

據工程所在地氣象資料推算，本工程庫區冰蓋厚度約47cm，冰層升溫膨脹時作用于塔體的靜冰壓力見表2[12]。

表2 靜冰壓力計算

2.3 作用組合

進水塔的主要荷載可分為靜荷載和動荷載。靜荷載：自重、靜水壓力、冰壓力、揚壓力、淤沙壓力、風壓力、設備自重等；動荷載：地震作用、地震動水壓力和地震動土壓力等。地震工況考慮進水塔結構滿庫且庫水表面冰凍狀態與地震作用疊加，地震作用主要考慮塔體自身、塔頂門機、啟閉機、閘門所產生的地震慣性力及動水壓力。

3 計算結果與分析

3.1 自振特性分析

塔體前六階振型情況見表3，前兩階振型見圖5，塔體為窄高型高聳結構，水平兩向剛度小，其中垂直水流向剛度最小，因此第一階以垂直水流向水平振動為主，第二階以順水流向水平振動為主。考慮塔體受冰蓋約束作用后，塔體前六階振型并未有本質改變，分析原因在于冰蓋約束作用較弱。

表3 進水塔前六階振型特征

圖5 塔體前兩階振型

3.2 地震工況結果

振型分解反應譜法只得到純動力作用的效應，地震工況采用正常蓄水位滿庫且表面冰凍和地震的組合，考慮到動力計算結果已平方和開根號為正值，采用“靜力+動力”和“靜力-動力”兩種方法組合[13]。

地震工況下，塔體結構以拉應力為主，拉應力最大值為4.90 MPa，位于塔體與3856平臺相交處，由于該部位塔體截面突變，地震工況下產生了較大拉應力，且應力梯度變化較大，建議通過配筋增加承載能力。塔體結構壓應力最大值為-12.41 MPa，位于底板底面左、右岸側端部，滿足C25混凝土的動態抗壓強度要求。塔體主應力極值匯總見表4，主應力見圖6～7。考慮加速度修正后后，塔體位移及主應力并未有大幅度減小，分析原因在于加速度修正幅度較小。

圖6 塔體第一主應力S1 單位：MPa

表4 塔體主應力 /MPa

地震工況下，塔體結構位移分布均呈由塔頂至塔底、由下游至上游逐漸減小的分布規律[14]。塔體結構的垂直水流方向的位移較大，與塔體主振型為垂直水流向擺動的振動特性是一致的。塔體結構綜合位移最大值為27.98 mm，位于塔頂下游側部位。塔體結構的各向變形均不大，說明結構具有足夠的剛度。塔體各向位移及總位移匯總見表5，總位移云圖見圖8。

圖7 塔體第三主應力S3 單位：MPa

表5 塔體位移/mm

圖8 塔體總位移U 單位：mm

4 結 論

(1)從地震動響應應力結果來看，地震工況下結構局部拉應力較大，主要集中在流道頂板下表面、流道底板上表面、塔體外表面，且由于塔體與平臺相交處幾何突變，拉應力也較大。塔體其余大部分區域的動拉應力并不大，拉應力水平低。拉應力大值出現于表層或是角部，不會對整體產生破壞性影響。考慮加速度修正后后，塔體主應力并未有大幅度減小，分析原因在于加速度修正幅度較小。

(2)從地震動響應位移結果來看，通過觀察塔體在順水流方向和垂直水流方向的變形，兩個方向變形量值都不大，不會發生向岸外或左、右岸的大量運動變形。考慮加速度修正后，塔體位移并未有大幅度減小，分析原因在于加速度修正幅度較小。

(3)針對塔體結構局部體型突變處，采取邊角修圓、貼坡等過渡處理，減小結構應力集中，改善塔體體型。

針對某高海拔寒冷地區泄洪洞進水塔，考慮高海拔對重力加速度的減小影響、考慮水庫庫周冰層對塔體的冰壓力作用，進行了抗震安全分析，塔體在地震作用下，從動應力、動位移及采取的抗震構造措施來看，進水塔在地震作用下是安全的，可以滿足抗震要求。