Phase2在岸塔式进水口整体稳定计算中的应用

2014-10-25吕东海

陕西水利 2014年4期

吕东海冯华

（西北勘测设计研究院有限公司陕西西安 710065）

1 引言

岸塔式进水口由于对地形地质条件适应性较广，在我国已建的水电站中得到了广泛的应用，特别是引水式水电站。岸塔式进水口顺水流方向的整体稳定，不同于重力坝和重力式挡墙靠自重维持稳定。岸塔式进水口正向承受水平荷载，背靠岸坡岩体，靠自重和岸坡岩体支撑维持稳定，其整体稳定不像重力坝和挡土墙，有沿水平建基面滑动和绕趾点倾覆的可能，只要塔背和塔底建基面法向应力在岩体允许承载力范围之内，塔体就不会发生整体失稳。岸塔式进水口整体稳定计算普遍采用常规结构力学方法[1][2]。常规结构力学方法是将塔体视作刚体，在荷载作用下岩体受挤压变形产生抗力，假定抗力按线性规律分布，自下而上连续分布，通过力的平衡条件和转角相容条件列出方程组，然后求解方程组得到抗力值。此方法在每个工况计算时，首先要判断塔体的“转动趋势”，然后根据“转动趋势”选择计算公式，计算相对繁琐，费时费力，笔者尝试使用phase2二位弹塑性平面有限元分析软件进行岸塔式进水口整体稳定的计算，该软件便于一般工程设计人员操作使用，而且对计算机配置要求较低，因此，在实际应用过程中取得了较好的效果。

2 Phase2软件简介

Phase2软件是由加拿大Rocscience公司开发的一款易于使用、稳定可靠的二维岩土工程弹塑性有限元分析和设计软件。它被广泛应用于各类工程项目分析中，包括地表或地下开挖的支护设计、边坡稳定分析、地下水渗流分析以及概率分析等领域。它能够轻松、快速地完成复杂的、多工况步的模型的建模分析，诸如软岩或多节理岩体中的隧道、地下厂房洞室群、露天矿坑和边坡、坝体、土工合成材料加筋土结构稳定性等等，能够分析渐进破坏、土与结构相互作用及各种其它问题。

3 工程计算实例

3.1 工程概况

某电站为高坝大库长引水式电站，电站进水口布置在坝前右岸，为岸塔式进水口。水库正常蓄（设计洪）水位3240.00m，校核洪水位3241.00m，发电死水位为3220.00m，进水口底板高程为3211.00m，塔顶高程为3243.00m。顺水流方向长度为14m，垂直水流方向宽度为9.5m，进水口横剖面见图1。进水口建筑物级别为3级，地震抗震设防烈度为8°，基岩水平峰值加速度为0.2g。

3.2 材料参数选取

根据地质报告，进水口建基面基岩裸露，基础座落于弱风化块状～中厚层状凝灰岩上，建基面无深层滑动面，覆盖层和岩体主要物理力学参数见表1、表2，进水口塔体混凝土主要力学参数见表3。

3.3 计算假定

（1）模型计算采用摩尔—库伦准则；

（2）地层和材料的应力应变均在弹性范围内变化，应力场由自重自动生成；

（3）考虑空腔对塔体的影响作用，采用厚度折算的方法对混凝土容重进行折减；

（4）只研究塔底和塔背建基面上的应力和位移；

（5）塔底建基面上的扬压力按全水头考虑，塔背建基面上不考虑扬压力。

3.4 二维有限元模型建立

模型建立的原则是在各工况下不会波及模型边界，既可以保证数据可靠，又可以减少计算工作量。选取整个进水口为计算对象，进水口基础、后边坡、前沿延伸长度不小于5倍顺水流方向长度，即70m。进水口和地基单元划分采用三结点三角形单元，采用统一网格类型（见图2），共划分32261个三角单元，16340个节点。侧面和底面为位移边界，侧面限制水平位移，底面限制垂直位移，上边界为自由面，模型及边界条件见图3。为研究建基面上的应力和位移分布情况，采用节理模拟进水口塔底和塔背建基面。节理按一般节理考虑，节理没有厚度，节理只传递压应力，不承受拉应力，为了使节理不发生“侵入”和“重叠”现象[3]，假设法向刚度较大，节理参数设置见图4、图5。除完建工况外，其他各工况塔底扬压力采用节理特性中的附加应力模拟。

图1 某电站进水口横剖面图

表1 进水口覆盖层主要物理力学参数表

表2 进水口岩体主要物理力学参数表

表3 进水口塔体混凝土主要力学参数值表

表4 Phase2程序与常规结构力学方法法向应力计算结果对比表

3.5 计算结果及分析

采用应用较为广泛的摩尔—库伦准则，计算得到完建、正常运行、校核洪水位、检修及地震五个工况塔底和塔背建基面上法向应力、切向应力、法向位移及切向位移等一系列计算成果，见图6～图9。

图2 有限单元划分方式

图3 二维有限元模型

图4 节理（塔底建基面）参数设置

图5 节理（塔背建基面）参数设置

图6为各工况下塔底和塔背建基面上法向应力分布图。由图中应力分布数据可以看出，完建工况塔底建基面法向应力最大，且由上游到下游逐渐增大，塔背建基面法向应力基本为零，顶部局部有压应力，但数值很小，这是因为完建后进水塔重心偏下游，塔体有绕底板顺时针转动的趋势，其他各工况塔底建基面法向应力由上游到下游逐渐减小，塔背建基面法向应力由下部到上部逐渐增大，特别是地震工况增加幅度最大，这是由于受到水平力和扬压力作用后，塔体对塔背建基面的挤压作用更大。

图7为各工况下塔底和塔背建基面上切向应力分布图。由图中应力分布数据可以看出，各工况下塔底和塔背建基面切向应力均较小，只有完建工况塔背局部出现了最大48kPa剪切应力，说明岸塔式进水口在各种荷载作用下建基面上剪切应力不是主要的。

图8和图9为各工况下塔底和塔背建基面上法向和切向位移分布图，由图中位移分布数据可以看出，在各工况下塔底和塔背建基面上法向和切向位移均较小，完建工况下最大，位移值为0.006m。

图6 建基面各工况法向应力分布图

图7 建基面各工况切向应力分布图

图8 建基面各工况法向位移分布图

图9 建基面各工况切向位移分布图

从以上各工况塔底和塔背建基面上法向应力、切向应力、法向位移及切向位移等一系列计算成果可以看出，岸塔式进水口在各种荷载作用下，建基面上主要以法向应力为主，切向应力、法向位移和切向位移均较小，基本可以忽略不计。因此，对岸塔式进水口进行整体稳定计算时，只要建基面上的法向应力在岩体允许承载力范围之内，塔体就不会发生整体失稳。

4 二维有限元与常规结构力学计算结果对比

为了验证Phase2程序计算结果的可信性，笔者同时采用常规结构力学方法[1][2]对岸塔式进水口各工况下塔背和塔底建基面上法向应力进行了计算，并与Phase2程序计算结果进行了对比，对比结果见表4。

从以上计算结果可以看出，两种计算方法塔底和塔背建基面上法向应力分布趋势基本一致，塔底建基面上法向应力Phase2程序计算结果较常规结构力学方法偏大，而塔背建基面上法向应力Phase2程序计算结果较常规结构力学方法偏小。总体来看，两种方法的计算结果差别不大，建基面上法向应力的分布规律一致，说明采用Phase2程序的计算结果可信。