Ansys在小型水电站结构安全评价中的应用

李世民

（安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院 安徽合肥230088）

1 水电站工程概况

水电站的主要作用是拦水发电，大坝是水电站的主要建筑物，大坝的安全稳定是水电站正常运行的前提和保证，因此需要定期对水电站大坝进行安全复核，从而确保水电站的安全运行。莲花河水电站水库位于安徽省淠河流域，坝址以上流域面积37km2，河长18km，河道平均坡度19.7‰。拦河坝设计洪水标准为20年一遇，校核洪水位为100年一遇，该水电站大坝为混凝土拱坝，线形为定圆心单曲拱坝，最大坝高34.40 m，坝顶无溢流段。本工程以发电为单一任务的水电工程，装机2×800 kW，多年平均年发电量384万kW.h。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）及有关规定，确定电站为Ⅴ等工程，永久主要水工建筑物为5级。

2 存在的问题

莲花河水电站投入运行3年来，经历了多次洪水的考验，发挥了较大的发电效益。但3年来未进行过建筑物维修，目前存在主要问题如下：（1）部分设备陈旧老化。（2）大坝下游未布置消能防冲设施。（3）大坝下游有裂隙水渗出。

3 水电站大坝结构安全评价

本文仅用大型有限元分析软件ANSYS对莲花河水电站大坝整体结构进行三维有限元分析[1][2]，对其进行安全复核。

3.1 混凝土拱坝容许应力分析

由于该电站为Ⅴ等工程，坝体为永久建筑物，级别为5级，因此计算时参照规范中对于3级坝的要求及规定。根据《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003）6.3.2规定，用有限元法计算时，应补充计算“有限元等效应力”。按照“有限元等效应力”求得的坝体主拉应力和主压应力，应符合下列应力控制指标的规定[3]：

1）容许压应力。混凝土的容许压应力等于混凝土的极限抗压强度除以安全系数。对于基本荷载组合，3级拱坝的安全系数采用3.5；对于非地震情况特殊荷载组合，3级拱坝的安全系数采用3.0。

2）容许拉应力。对于基本荷载组合，拉应力不得大于1.5MPa；对于非地震情况特殊荷载组合，拉应力不得大于2.0 MPa。超过上述指标时，应调整拱坝的体形减少坝体拉应力的作用范围和数值。大坝基底应力计算结果见表1。

表1 拱坝坝基底应力计算结果

从表1中可以看出，坝体应力满足《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003）规定，具体结果分析图见图1～图5。

图1 莲花河拱坝有限元模型及材料划分

图2 设计洪水位时拱坝位移/m

图3 设计洪水位坝体主应力/Pa

图4 校核洪水位时拱坝位移/m

图5 校核洪水位坝体主应力/Pa

3.2 混凝土拱坝拱座稳定复核

根据《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003）7.2.8规定，采用刚体极限平衡法进行拱座抗滑稳定计算，计算公式如下[3]：

式中：K——按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；

N——垂直于滑裂面的法向力，kN；

T——沿滑裂面的切向力，kN；

f——抗剪摩擦系数，根据工程经验，取f=0.7。

计算结果（见表2）表明：在设计洪水位及校核洪水位时大坝拱座抗滑稳定都能满足规范规定的要求。

[1]邢静忠，王永岗，陈晓霞等.ANSYS分析实例与应用[M].北京：机械工业出版社，2004：12-68.

[2]尚晓江，邱 峰，赵海峰，李文颖，等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京：中国水利水电出版社，2005：21-79.

[3]中华人民共和国水利部.《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003）[S].北京：中国水利水电出版社，2003：34-35，37-38.