岸塔式电站进水口塔背回填高度研究

唐 碧 华

0 引 言

岸塔式进水口在静力工况下为平压结构，整体稳定较易满足要求，结构应力也较小，其地震工况基本为结构的控制工况。因为进水口塔体刚度相对较小，抗震性能较差，因此在高地震区的岸塔式结构，应使塔体下部大体积部分尽量贴紧岩体，以便增加塔体的整体刚度，增强抗震性能。在进水口基础及边坡开挖设计中，为了减少开挖量且便于压力管道的进口成洞，将下半部位的临时边坡常设计为垂直开挖，但对于百米级的高耸塔体来说，边坡允许的垂直开挖高度已不能满足塔背接触高度的要求，因此需要后期回填一部分混凝土，但回填高度的确定，对塔体结构的动力响应及混凝土工程量影响均较大，目前尚无相关规定，有待进一步研究。本文以某岸塔式电站进水口为例，采用三维有限元分析方法，针对塔背回填高度作了敏感性分析，整理了地震工况下各计算模型的自振特性、整体位移及各关键部位的应力值，通过塔背高度对结构应力应变的影响分析，提出了此岸塔式进水口结构经济合理的塔背回填高度。

1 计算模型

1.1 结构介绍

某岸塔式电站进水口，由拦污栅、闸室段和回填混凝土组成。单机引用流量364.5m3/s，塔体建基面高程1 624m，塔高75m，底板厚4m，单塔横水流向宽度33.8m，顺水流向长度30m。拦污栅段布置一道清污机槽和两道拦污栅槽，每个进水口设5孔拦污栅，栅孔净宽4m，栅墩宽2.3m，拦污栅孔口尺寸4m×26m(宽×高)，栅槽段总长7.55m；闸室段设置一道检修闸门和一道快速闸门，其孔口尺寸分别为7.5m×10.03m(宽×高)、7.5m×9.5m(宽×高)；闸室通气孔断面尺寸2.5m×1.5m，通气孔后与压力管道采用渐变段相接。

1.2 计算模型

本文针对塔背的回填高度作敏感性分析，初拟了三个不同回填高度，分别建立了三维有限元计算模型，分析了地震工况下，各模型的自振特性和动力响应。计算模型分别为模型HT-1(无回填混凝土)、模型HT-2(回填一部分)，HT-3(回填到塔顶高程)，各模型塔背回填混凝土情况见表1，模型示意见图1。

表1 计算模型说明

1.3 三维有限元模型

(1)有限元网格模型。计算模型包括进水塔混凝土结构及周围岩石基础，根据一般工程经验及本工程实际地质条件，基础选取为进水塔结构长度并向上游延长30m 、向下游延长39m：左右侧各延长5m；向下延伸73m，向上取至高程1 710.70m。

图1 模型展示

模型主要采用8节点六面体等参单元离散，动水压力采用集中质量单元模拟，以模型HT-2为例，单元总数248 432，求解自由度为745 296。根据结构的特征，在应力梯度较大部位局部细化网格，保证计算精度，有限元网格见图2。

图2 计算模型网格示意

(2)边界条件及计算假定。岩石基础底边均视为固定边界，约束全部位移；基础上下游及左右两侧边按平面应变问题处理，约束法向位移。

假设塔体混凝土与基础共节点连接，协调变形。动力分析采用振型分解反应谱法，基础考虑为无质量地基。

(3)材料参数。混凝土结构中，拦污栅框架强度等级为C25，闸室段为C20，塔背回填混凝土为C15。动力计算中大体积混凝土弹性模量较静力提高30%。

进水口塔体基础大部分置于弱卸荷、弱风化下段的花岗岩岩体上，局部位于微新岩体中。岩石总体以Ⅲ类为主，局部裂隙密集带及断层破碎带属Ⅳ类，其岩石基础计算参数详见表2。

表2 岩石基础计算参数取值

工程场地地震基本烈度为Ⅷ度，进水口结构为非壅水建筑物，按50年超越概率5%的地震加速度设计，即水平向设计地震加速度代表值为222gal。

2 分析成果

2.1 自振特性成果

三个数值模型的自振频率成果见表3，可以看出，随着塔背回填混凝土高度的增加，结构自振频率逐渐增大，基频逐次增加比例为52.89%、9.76%，由结果看出从HT-1到模型HT-2，结构刚度变化明显，但混凝土结构质量增加不多，而从HT-2到模型HT-3，在结构刚度增加的同时，质量也在大幅度增加，因此结构自振频率增幅不大。各模型条件下，对高阶频率影响较小。

表3 运行期结构前10阶自振频率 Hz

2.2 位移分析成果

各计算模型下塔体整体位移峰值及出现部位见表4。

表4 塔体整体位移峰值 mm

塔背回填混凝土的高度直接影响塔体顺水流向和横水流向的刚度，其中顺水流向的影响最大，因此随着回填高度增加，塔体顺水流向和横水流向的位移逐渐减小，且分布规律也有所变化。特别是从无回填模型HT-1到模型HT-2，顺水流向位移减少了57%，效果非常明显，最大值虽由后端变为了左侧，但仍在塔顶部；从模型HT-2到HT-3，顺水流向位移减少了32%，模型HT-3最大位移发生在胸墙中部。三个模型的横水流向最大位移分别减少22%、12%，其影响较顺水流向小，但其最大值位置基本一致。塔背回填混凝土高度的变化对塔体竖直向位移的影响很小，基本可忽略不计。

2.3 应力分析成果

各计算模型下，塔体各关键部位应力分量峰值见表5。

表5 关键部位应力峰值 MPa

计算成果表明：塔背回填混凝土高度直接影响塔背拉应力值水平及分布。由于模型HT-1塔背无回填混凝土，其拉应力值非常大，且集中分布在塔背与边坡接触位置。顺水流向达到了12.50MPa，竖向7.82MPa，横水流向5.46MPa，其应力水平已难以通过配筋或设置锚筋等局部措施解决，影响其整体稳定性。因此针对模型HT-1，塔体必需调整结构刚度，如采取回填等措施。随着塔背回填混凝土高度增加，塔背三个方向的应力峰值均有明显改善。从无回填模型HT-1到回填至0.73倍塔高模型HT-2，塔背顺水流向拉应力减小至2.65MPa，竖向拉应力减小至3.49MPa，横水流向减小至2.35MPa，其减小幅度分别达79%、55%、57%，应力水平基本达到可以通过局部加强配筋等措施解决的目的。而从模型HT-2到模型HT-3，仅竖向应力减少明显，其余顺水流和横水流向变化不大。

随着塔背回填混凝土高度增加，塔体其它部位，如底板、门槽周边、喇叭口上唇和拦污栅顺水流向和竖向拉应力均出现先减后增的变化趋势，在模型HT-2产生一个拐点，总体来说变化幅度相对较小；而这几个部位的横水流向应力峰值随着塔背回填混凝土高度的增加而不断增加，最大变化值为1.14 MPa。通气孔由于靠近塔背，因此也受塔背回填影响较大，三个主轴方向应力的变化规律和塔背一致，随着回填高度增加而递减。

3 结 论

根据分析成果，可以得到如下结论：

(1)随着塔背回填混凝土高度的增加，结构低阶自振频率增加显著，但增幅逐渐减小，说明塔背回填高度对岸塔式结构整体刚度影响较大。

(2)随着回填高度增加，塔体顺水流向和横水流向的位移逐渐减小，且分布规律也有所变化，塔背接触高度从0.48倍塔高到0.73倍，再到1.0倍，其顺水流向位移分别减少了57%、32%，其变化幅度在逐次减弱。

(3)塔背回填高度对结构应力响应也非常明显，特别是对塔背应力影响显著。但随着回填混凝土高度增加，其影响程度也在逐渐减弱。而门槽周边、底板、喇叭口上唇和拦污栅等部位，顺水流向和竖直向拉应力出现先减后增的趋势，其横水流向应力却有逐次增加的趋势。

(4)综上所述，随着塔背回填高度的增加，混凝土用量增幅越来越大，而对结构受力的改善效果却逐渐减弱，到一定高度后反而出现负面效应，说明塔背回填高度并非越高越好。在混凝土回填高度增加过程中存在一个拐点，即为最经济合理的回填高度，针对此岸塔式结构，推荐回填高度至0.73倍左右塔高。若对类似结构，可以借鉴此高度比例，亦可通过类似的敏感性分析确定经济合理的回填高度。

参考文献：

[1] 中国水利水电科学研究院.《水工建筑物抗震设计规范》DL5073-2000[S].中国电力出版社,2001.

[2] 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院.《水电站进水口设计规范》DL/T5398-2007[S].中国电力出版社,2008.

[3] 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院.强震区高进水塔抗震设计技术研究[R].2012.