基岩劣化对进水塔结构整体失稳影响研究

韩俊岭 吴建兴

(1.河南五建建设集团有限公司，河南 郑州 450045； 2.河南天禹水利工程建设有限责任公司，河南 信阳 464000)

基岩劣化对进水塔结构整体失稳影响研究

韩俊岭1吴建兴2

(1.河南五建建设集团有限公司，河南 郑州 450045； 2.河南天禹水利工程建设有限责任公司，河南 信阳 464000)

基于ABAQUS有限元软件并采用时程分析方法，对三种塔背基岩劣化模型进行数值模拟，计算结果表明随着岩石劣化程度增加，塔体稳定性逐渐削弱，塑性区逐渐增加，塔体及基岩应力也逐渐增大。

进水塔，基岩劣化，数值模拟，时程分析

0 引言

我国西南强地震高发区域正规划、设计或开工建设一批高坝大库型水电工程项目，研究强地震激励作用下高进水塔的力学行为和结构性能、选择合理高效的数值分析方法、建立结构安全评价准则已经成为这类水工建筑物设计中至关重要的关键技术[1-3]。对于这样的高烈度地震区的高塔体结构，需研究基岩性状对进水塔结构抗震性能的影响，以评价进水塔体结构的抗震安全性，有限元动力计算采用时程分析法探讨基岩劣化对进水塔结构整体失稳的影响。

1 有限元模型

通过基岩参数劣化数值模拟，研究对进水塔结构整体失稳影响。对基岩采用DP非线性本构模型进行分析，分别采用三种不同基岩参数计算模型，基岩关键参数如表1所示，其中模型1为正常基岩参数，模型2和模型3为基岩逐渐劣化的计算参数，其中模型3岩石劣化程度最大。采用时程分析计算进水塔的整体失稳影响，时程分析有限元模型如图1所示。

表1 3种不同计算模型基岩参数表

2 数值模拟

塔背基岩接触部位是应力集中区域，本节研究塔背基岩劣化对该部位塑性应变的影响。计算结果为时程分析结果。图2～图4为塔背顺河向、竖向和横河向三个方向塑性应变计算结果。

由塔背基岩三个方向塑性应变计算结果可知，在塔背基岩没有劣化之前，由于该部位为应力集中区域，基岩已经出现塑性应变，但较后两种劣化模型的塑性应变明显小很多，其中顺河向和竖向塑性应变模型1约为模型2和模型3的20%，横河向塑性应变模型3为模型1和模型2的数倍。计算结果表明，基岩劣化会导致塔背应力集中区域的基岩出现更大的塑性应变，当变形过大会导致裂纹的产生及扩展，使得塔背基岩与塔身脱离，如果此时建基面基岩塑性应变也较大，进水塔有向上游倾覆的可能，导致发生整体失稳。

图5～图7为塔背顺河向、竖向和横河向三个方向应力计算结果。

由塔背基岩三个方向正应力计算结果可知，在塔背基岩没有劣化之前，由于该部位为应力集中区域，基岩已经出现塑性应变，基岩在开始阶段承受一定的拉应力，随着塑性应变的增加以及裂纹的出现，基岩逐步只能承受压应力。随着基岩的不断劣化，塔背基岩塑性应变不断增加，其承受的压应力也逐渐增大。其中模型3压应力最大，模型2其次，模型1最小，模型2和模型3的压应力为模型1的3倍左右。

计算结果表明，在地震荷载作用的初始阶段，三种模型塔背基岩所承受的拉应力基本相当，随着地震荷载强度的增加，塔背基岩塑性应变增大直至出现裂纹，因此基岩劣化会导致塔背接触部位的基岩压应力显著增加。

3 结语

采用DP非线性模型模拟在地震荷载作用下基岩劣化对进水塔结果整体失稳的影响，由计算结果可以得到以下几个结论：

1)由塔背基岩三个方向塑性应变计算结果可知，在塔背基岩没有劣化之前，由于该部位为应力集中区域，基岩已经出现塑性应变，但较后两种劣化模型的塑性应变明显小很多，其中顺河向和竖向塑性应变模型1约为模型2和模型3的20%。基岩劣化会导致塔背应力集中区域的基岩出现更大的塑性应变，当变形过大会导致裂纹的产生及扩展，使得塔背基岩与塔身脱离。

2)由塔背基岩三个方向正应力计算结果可知，在塔背基岩没有劣化之前，由于该部位为应力集中区域，基岩已经出现塑性应变，基岩在开始阶段承受一定的拉应力，随着塑性应变的增加以及裂纹的出现，基岩逐步只能承受压应力。随着基岩的不断劣化，塔背基岩塑性应变不断增加，其承受的压应力也逐渐增大。其中模型3压应力最大，模型2其次，模型1最小，模型2和模型3的压应力为模型1的3倍左右。

3)岸塔式进水塔依靠自重和塔背岩体支撑共同维持稳定，只要岸塔式进水塔基底应力在岩体的允许应力范围之内，塔体就不致发生整体失稳。随着基岩的不断劣化，基岩出现塑性应变，由于此时塔背接触部位应变较大，已经出现裂纹甚至导致塔背基岩与塔身的分离，进水塔就会产生向上游的倾覆，发生整体失稳。

[1] 李山有，廖振鹏.地震体波斜入射情形下台阶地形引起的波型转换[J].地震工程与工程振动，2002，22(4)：9-15.

[2] 李付长.白龟山水库堤坝地震可液化地基的抗震处理[J].人民黄河，2010，32(7)：116-119.

[3] 费 康.ABAQUS软件在高进水塔动力分析中的应用[J].水利与建筑工程学报，2008，6(4)：10-12.

Research on bedrock degradation effect on stability of the intake tower

HAN Jun-ling1WU Jian-xing2

(1.HenanWujianConstructionGroupCo.,Ltd，Zhengzhou450045,China；2.HenanTianyuHydraulicEngineeringConstructionCo.,Ltd,Xinyang464000,China)

Based on ABAQUS software, time history method is used to analysis structure mechanical characteristics with three bedrock degradation model. The numerical simulation results show that with the increase of the rock degradation, stability of tower body gradually weakened and the plastic zone increases gradually， tower body and bedrock increases gradually.

intake tower， bedrock degradation， numerical simulation， time history method

1009-6825(2014)30-0058-03

2014-08-14

韩俊岭(1979- )，男，工程师； 吴建兴(1971- )，男，工程师

TU311.2

A