旭龍水電站進水塔抗震穩定性分析

摘要：

旭龍水電站所處工程區的地震基本烈度為Ⅷ度，屬于高地震區。為研究進水塔結構的抗震設計，采用三維有限元分析軟件，運用振型分解反應譜法計算進水口在靜動力各工況下的變形和應力分布，并對進水塔的整體穩定和基底應力進行了驗算。結果表明：在各工況下，進水塔各部位一般應力均在規范許可的范圍內，整體穩定及基底應力均滿足規范要求，旭龍水電站進水塔結構抗震性能良好。研究成果可為類似進水塔結構設計提供參考。

關鍵詞：

進水塔； 高地震區； 振型分解反應譜法； 基底應力； 旭龍水電站

中圖法分類號：TV732.1

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.009

文章編號：1006-0081（2024）07-0053-06

0 引 言

水電站進水塔是位于輸水系統首部、按機組負荷要求引進發電用水的取水建筑物，進水塔破壞直接影響到發電。從汶川地震對紫坪鋪水庫的影響來看［1］，水庫大壩的主體結構并沒有受到功能性破壞，反而電站進水塔受到了較大影響。某種程度而言，進水塔結構是影響水利樞紐工程抗震安全性的重要因素，電站進水塔的抗震穩定性分析對水電站安全穩定運行有著重要意義。

目前NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設計規范》規定進水塔結構的地震作用效應計算應采用動力法或擬靜力法，抗震設防為甲類或設計烈度Ⅷ度以上的進水塔宜采用動力法計算其地震作用效應，且宜采用振型分解法。現如今大多數水電站均采用振型分解反應譜法來對進水塔進行動力計算［2-5］。張柏成等［6］采用振型分解反應譜法對百色水電站進水塔進行動力分析；孟江波等［7］采用三維有限元分析軟件，運用振型分解反應譜法和時程法，對白鶴灘水電站進水口進行計算，驗證了進水口的結構穩定；范書立等［8］分別采用擬靜力法和振型分解反應譜法對雅礱江官地水電站進水塔結構進行抗震分析，結果表明，用振型分解法計算抗傾覆穩定性更加保守。

本文采用ANSYS大型有限元計算軟件，運用振型分解反應譜法，對旭龍水電站進水塔結構在靜、動力荷載組合作用下塔體的應力及變形的分布規律進行分析研究。通過對進水塔結構各部位的應力及位移等計算結果的分析，驗算了塔體的整體穩定和基底應力，論證了塔體的結構穩定性及安全性，并對薄弱部位的結構設計給出合理性建議，為后續設計提供參考。

1 工程概況

旭龍水電站工程開發任務以發電為主，并促進地區經濟社會發展，其所在工程區地震烈度高。工程位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上游河段，是金沙江上游河段“一庫十三級”梯級開發方案中的第12級，是西電東送的骨干電源點之一。旭龍水電站下游距奔子欄鎮72.8 km，上游距昌波電站壩址75.5 km，東南距得榮縣直線距離約16 km，東距甘孜州310 km，南距香格里拉和虎跳峽分別約156 km和247 km，東北距成都直線距離約520 km，東南距昆明直線距離約540 km。

壩址多年平均流量990 m3/s，多年平均徑流量313億m3。水庫正常蓄水位2 302 m，死水位2 294 m，調節庫容1.26億m3；設計洪水位2 303.42 m，校核洪水位2 305.89 m，總庫容約8.47億m3。水電站裝機容量2 400 MW，多年平均年發電量約105.14億kW·h。

樞紐工程主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發電系統和過魚設施等主要建筑物組成。其中，引水發電建筑物布置在右岸，主要由進水口、引水隧洞、主廠房及安裝場、主變洞、交通電纜豎井、尾水調壓室、尾水隧洞、尾水出口、地面開關站、交通洞、通風排煙系統及廠外排水系統等組成。

進水口采取抗震性能較好的岸塔式進水塔，4個進水塔一字排開，順水流向分為攔污柵段、進水倉段和閘門段，依次布置攔污柵槽、檢修閘門槽、快速事故閘門槽。進水塔單塔寬度30.0 m，順水流向長26.0 m，塔頂高程2 308.0 m，建基面高程2 265.0 m，進水塔尺寸為120.0 m×26.0 m×43.0 m（長×寬×高）。

2 有限元靜動力分析

2.1 計算參數

塔體混凝土采用C30混凝土，彈性模量為30 GPa，泊松比0.167，重度25 kN/m3。

進水塔基巖為以塊狀為主的微新花崗巖、混合巖，變形模量為22.5 GPa，泊松比為0.225。依據NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設計規范》要求，動力計算中，動彈模取靜彈模的1.5倍。地基按無質量地基考慮。

根據NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設計規范》規定及本工程進水塔結構特點，抗震計算同時考慮了順流向、垂直流向和豎向地震作用?？偟卣鹦「鞣较虻卣鹱饔眯钠椒胶头礁?。旭龍水電站工程基本烈度為Ⅷ度，電站進水口抗震設防類別為乙類，水平向設計地震加速度代表值取基準期50 a內超越概率5%的地震動峰值加速度，為0.238g。豎直向設計地震加速度代表值取水平向的2/3，為0.159g。旭龍水電站地震主震周期Tg=0.35 s，反應譜最大值的代表值βmax=2.25，結構阻尼比ξ=7％。

2.2 計算工況

① 完建工況：結構自重+設備重量。② 正常運行工況：結構自重+設備重量+水壓力+揚壓力。③ 地震動力響應工況：順水流向地震+垂直水流向地震+豎向地震。④ 靜動疊加工況：正常運行工況與地震動力響應組合。

2.3 計算模型

旭龍水電站進水口屬非壅水建筑物，建筑物級別為1級。結構模型中不考慮各門槽二期混凝土，主要由底板、攔污柵墩、胸墻攔污柵墩連系梁、閘室段等部分組成。

計算模型及材料分區見圖1，共劃分274 700個單元，161 351個結點，網格劃分較精細，保證了數值計算的準確性?；鶐r模擬范圍：下游及深度方向各取約1.5倍的結構高度，頂部取至2 308.0 m高程。基巖底部全約束，各側面法向約束。坐標軸方向：X軸為垂直水流向，指向左岸為正；Y軸為順水流向，指向上游為正；Z軸豎直向上。

2.4 靜力計算結果

（1） 位移。正常運行工況時，基礎沉降最大值為0.50 mm；結構其余各方向位移均較小，數值均在2.00 mm以內。

（2） 應力。完建工況時，順流向最大拉應力位于塔體右側空腔頂部主梁跨中部位，高程2 306.5 m處，約1.08 MPa；垂直流向最大拉應力位于進水流道頂部表面，值約0.70 MPa。除局部應力集中外，結構豎向拉應力值均較小。建基面處最大壓應力為0.78 MPa。正常運行工況時，順流向最大拉應力位于塔體右側空腔頂部主梁跨中部位、高程2 306.5 m處，約為1.25 MPa；垂直流向最大拉應力位于塔體右側空腔頂部次梁端部，最大值為0.71 MPa。除在邊角部位與頂部加荷處存在應力集中外，豎向拉應力值均較小。建基面豎向壓應力最大值約0.50 MPa。除應力集中外，塔體剪應力值均較小，τxy，τyz，τxz最大值分別約為0.32，0.99，0.76 MPa。最大主應力位于塔體右側空腔頂部主梁跨中部位，為1.26 MPa。

2.5 動力計算結果

（1） 自振特性。共計算了20階振型，前20階固有頻率范圍為5.24～37.39 Hz，見表1，前3階振型見圖2。結構第一階為順流向振型，第二階為垂直流向振型，第三階為扭轉振型，振型變位最大值均出現在塔體頂部。

（2） 動位移。動力工況，水平向和豎向地震共同作用下，結構順河向位移較大，最大位移7.47 mm，出現在結構頂部。其他兩個方向的位移相對較小，垂直流向、豎向位移的最大值分別為5.45 mm、2.01 mm。建基面順流向最大位移為0.30 mm，豎向位移最大值為0.46 mm，垂直流向位移較小，均小于0.10 mm。

（3） 動應力。依據NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設計規范》規定，當采用動力法計算地震作用效應時，鋼筋混凝土結構構件的動應力應進行折減，折減系數為0.35。折減后的塔體結構動應力計算成果如下。水平向和豎向地震作用下，結構順流向最大應力位于攔污柵墩左側斜支撐梁端部，約2.57 MPa，位于高程2 279 m。垂直流向最大應力出現在塔身靠山體右側角點，約2.63 MPa，屬局部角點應力集中，其余部位應力值均較小。豎向較大應力主要出現在攔污柵墩上游根部、塔體上游墻根部、塔體下游墻根部，除應力集中外，最大應力達2.75 MPa。地震作用下，建基面豎向最大應力為0.60 MPa。

（4） 動力加速度。順流向地震單獨作用下，結構頂部順流向最大加速度為8.2 m/s2，動力放大系數為3.5；垂直流向地震單獨作用下，結構頂部垂直流向最大加速度為12.2 m/s2，動力放大系數為5.2；豎向地震單獨作用下，結構頂部豎直向最大加速度為5.0 m/s2，動力放大系數為2.1。

2.6 靜動疊加計算結果

2.6.1 疊加位移

靜動組合時，疊加位移考慮動位移的正、負方向，分別將靜位移和動位移直接相加（靜＋動）和相減（靜－動）進行組合，以獲得最大的位移值，塔體位移分布如圖3所示。

由于靜力工況產生的位移較小，靜動疊加位移基本上與動力位移接近。靜動疊加工況下，結構順流向位移較大，最大位移為7.82 mm，位于結構頂部；垂直流向、豎向位移相對較小，分別為5.46 mm、3.65 mm。

建基面處順流向位移最大值為0.37 mm，垂直流向位移最大值為0.10 mm，豎向位移最大值為0.88 mm。

2.6.2 疊加應力

靜動疊加的應力，主要按混凝土受拉不利考慮。塔體結構動應力均為折減后的成果，塔體應力分布見圖4。

順流向最大拉應力位于攔污柵墩與塔體之間的支撐梁上游端部，最大應力約為2.90 MPa，位于高程2 285.4 m。垂直流向最大拉應力主要出現在塔身靠山體右側角點，約為2.71 MPa，屬局部角點應力集中。豎向較大應力主要出現在攔污柵墩與頂層支撐梁交接處，位于高程2 301.4 m，最大應力達1.57 MPa。

τxy最大應力在支撐梁上游端部約1.37 MPa。τyz最大應力在進水流道左側弧面，最大值約1.76 MPa。τxz最大應力位于攔污柵墩底部，最大值約1.65 MPa。

最大主應力在順流向聯系梁處較大，與塔體上游墻交接位置存在應力集中，最大值為3.51 MPa。

為得到混凝土的最大壓應力，將動應力中的正應力視為壓應力后與靜應力疊加，剪應力取與靜應力相同的符號。塔體結構動應力均為折減后的成果。結構最大主壓應力均小于5.1 MPa，塔體應力分布見圖5。

3 進水塔整體穩定及基底應力計算

根據NB/T 10858-2021《水電站進水口設計規范》規定的荷載組合（表2），分別計算了正常蓄水位、設計洪水位、完建未擋水、檢修狀況、校核洪水位以及地震情況下的進水塔整體穩定及建基面應力情況。進水塔各工況下整體穩定計算結果見表3，進水塔建基面應力計算結果見表4。

計算結果表明：進水塔各工況下沿建基面抗滑、抗浮及抗傾覆穩定均滿足規范要求；正常使用極限狀態計算中，建基面無拉應力出現；最大壓應力為1.08 MPa，出現在水平向地震力指向下游時的進水塔的下游側，但小于地基巖體允許承載力，滿足規范要求。

4 結 論

本文對旭龍水電站進水塔的抗震穩定性進行分析計算，得到如下結論。

（1） 靜動力計算及整體穩定和基底應力計算結果表明塔體整體抗震性能較好。進水塔在靜力工況下，各部位變形較小，除應力集中外，一般應力均在規范許可的范圍內，可保證進水塔結構安全及正常運行；遭遇設計烈度地震時，結構安全可以滿足規范要求；基礎面最大壓應力為1.08 MPa，小于地基巖體允許承載力；在持久狀況和短暫狀況各工況下，建基面未出現拉應力，滿足規范要求；結構抗滑、抗浮、抗傾覆性能均滿足要求。

（2） 塔體尺寸在平面上是一個矩形結構，順水流向及垂直水流向抗彎剛度相差不大，比較對稱均勻。

塔體本身高度不大，且體型為岸塔式，背部依靠山體，加上結構斷面尺寸及混凝土實體/空腔的比例相對較大，塔體結構整體剛度較高，其自振頻率因而較高。進水塔結構第一階自振周期（0.19 s）在地震卓越周期范圍內，但小于場地地震特征周期，塔體的結構設計對抗震是有利的。

（3） 進水塔結構地震應力不突出，通過配筋設計等措施可以保證塔體結構整體動態強度。局部應力集中現象不可避免，主要多集中在塔體或攔污柵墩與梁的連接部位及一些角點部位，這些部位均是抗震設計需要重點關注的地方。

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（編輯：高小雲）

Seismic stability analysis of intake tower of Xulong Hydropower Station

CHEN Jieping，SUN Haiqing，ZHANG Biao

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The basic seismic intensity of Xulong Hydropower Station is Ⅷ degree，which belongs to a high seismic area. In order to study the seismic design of the intake tower structure，the three-dimensional finite element analysis software was adopted，and the mode decomposition response spectrum method was used to calculate the deformation and stress distribution of the intake tower under various static and dynamic conditions，and the overall stability of the intake tower and the foundation stress were checked. The results showed that under various working conditions，the general stress in various parts of the intake tower was within the allowable range of the specifications，and the overall stability and foundation stress could meet the requirements of the specifications，the seismic performance of the intake tower structure of Xulong Hydropower Station was good. The research results can provide a reference for similar structure design of intake tower.

Key words：

intake tower； high earthquake area； mode decomposition response spectrum method； foundation stress； Xulong Hydropower Station