泄洪洞进水塔动静力三维有限元分析

修林发 郭 晓 郭祥琨

（山东黄河工程集团有限公司 山东 济南 250013）

1 概述

某水电站枢纽主体建筑物由混凝土面板砂砾石坝、溢洪道、中孔泄洪洞、放空洞，引水发电系统等组成。最大水头230m，库容13.23亿m3，最大坝高256.00m，坝顶宽度12.00m，为一等大（1）型工程，主要建筑物为1级建筑物。工程位于高震区，中孔泄洪洞的进口塔体高约81m，塔后和塔两侧的回填混凝土高度大，泄水建筑物抗震设计标准采用50年超越概率5%的地震动峰值加速度为201.0gal，相应地震设防烈度为Ⅷ度，加之大坝为混凝土面板砂砾石坝，泄水建筑物的重要性不言而喻。

本文对中孔泄洪洞进水塔进行了动静力三维有限元分析，以验证泄洪洞设计的可靠性。

2 分析方法

分析计算使用有限元法，主要步骤为：结构的离散化，单元分析，单元集成，引入约束条件，求解线性方程组，得出节点位移。地震反应的计算，采用振型分解反应谱法。

本次计算采用国际著名的大型通用有限元分析软件ANSYS。计算中，各材料假定为线弹性材料，动力分析时不考虑动态加载对混凝土及岩体强度与变形参数的增强影响，均采用静态值，塔体与回填混凝土固结不脱开，且地基岩体处理为无质量地基，岩体及结构的阻尼比统一取0.05。假定闸门止水可以完全发挥作用，闸门挡水时塔内及流道均无水。

3 进水塔模态结果分析

进水塔自身的自振频率应为完建未蓄水时的频率，此时计算的模态称之为干模态，但由于进水塔长期处于水的包围之中，故考虑进水塔的自振特性时必须考虑水体对塔的影响，将计入附加质量后的模态称为湿模态。考虑某个方向的地震时，在塔体垂直地震方向的迎水面和背水面的有限元节点上附加地震方向上的质量。为保证后续地震反应分析采用振型分解反应谱法的计算精度，提取前30阶振型数据，同时确保了每个方向质量参与系数大于90%。

从计算结果看，湿模态时自振频率较干模态时有所减小，说明水体附加质量对进水塔的自振特性影响比较明显。湿模态相应的质量因附加质量的计入而变大，但刚度保持不变，所以自振频率下降，这是符合规律的。塔体和回填混凝土及周围围岩整体性良好，前10阶振型便出现了四阶左右的整体平动和扭转。

在使用振型分解反应谱法进行地震反应分析时，为能较准确地求出塔身反应，必须取足够数量的参与振型，确保含有一定数量的整体振型，否则会因所选取参与振型数量的不足，得到偏差的结果。分析中取不同阶数参与振型进行地震反应分析，通过查看分析结果，发现取30阶振型时，平动和扭转方向的质量参与系数均已达到99%以上，参照《建筑抗震设计规范》对参与振型数的要求标准，满足本工程的分析要求。

4 进水塔位移结果反应

由计算结果知在基本组合情况下塔体的位移均比较小，以竖向位移为主，顺水流向位移次之，最大总位移发生在完建工况，说明结构自重产生的变形占有较大的比例。在基本组合时位移值均较小，说明塔体和塔基的刚度比较大。偶然组合校核洪水位时总位移比正常蓄水位和设计洪水略小，因为校核洪水位相对正常蓄水和设计洪水只是水位略有增加，而增加的水位对变形影响不显著。

在与地震组合后的各向位移和总位移有明显的增加，以两个水平方向的位移为主，Y向位移在加减地震时位移明显较大，这是由于进水塔沿进水方向（X向）宽度比垂直进水方向宽度大，且塔后靠回填混凝土和山体，导致X方向整体刚度比Y向刚度大，地震时Y向变形更加显著。另外，在加地震和减地震组合工况所得总的位移反应值都比较接近，说明塔体的左右和前后地震位移反应是比较对称的，从侧面说明塔体的刚度和质量的分布是比较合理的。

5 不同高程塔身截面静、动态应力反应

通过分析塔体在偶然组合时截面应力分布图和整体应力云图可以看出，校核洪水位时各高程处塔体均处于压应力阶段，塔体最大应力值小于设计洪水和正常蓄水工况，说明水位的增加反而减小了应力的最大值，扬压力的托浮作用及高水位时塔体四周水体的平衡发挥了更大的作用。地震作用下，塔体有较大（相比于基本组合）的拉应力出现。在加地震时塔体有大部分部位出现拉应力，塔底至塔20m高度范围均处于受压状态，20m～55m范围内存在拉应力，其从下往上拉应力分布规律为：从两侧小范围拉应力开始发展，四个棱角拉应力出现，范围增大，此位置向上、向下及两侧应力迅速衰减。减地震时塔体整体无拉应力出现，出现在塔体与回填混凝土交界面处，范围不大，小于混凝土抗压强度。

检修工况下，检修闸门关闭，前止水，塔内腔及其后隧洞内无水。闸门后的塔基表面及塔后孔口上下沿存在拉应力区，这主要是由于向上的扬压力及塔体自重而引起的，由于塔内没有水体作用，不能与塔基的扬压力平衡；塔后隧洞和塔体自重相差较大，这些原因导致检修工况闸门后塔基有较小拉应力存在。对比完建工况，检修工况下内外水压力不平衡是以上部位出现拉应力的主要原因。检修工况下，塔基出现了小范围的拉应力，若要减小此处拉应力，建议增加塔基底板厚度、降低水位、减小开口大小等措施。

从模拟结果可以看出，在基本组合和校核洪水时，塔体竖向不会出现压碎或者拉裂混凝土的情况，进水塔体型设计和材料使用可以满足抗震和正常运行要求。地震工况塔体表面及一定深度有大范围拉应力，因此需要配置钢筋以保证混凝土不被拉裂，混凝土满足抗压要求。

6 结论和建议

6.1 结论

针对本枢纽进水塔结构，根据现行水工抗震规范所确定的原则、方法和评价标准，使用数值方法进行了静、动态分析。根据分析评价结果，可得以下结论：

1 泄洪洞进水塔干、湿模态分析中，水体附加质量对塔体的动力特性有较大影响，各阶自振频率普遍降低。

2 塔体在基本组合和校核洪水位时位移比较小，以竖向位移为主，顺水流向位移次之。完建工况时总位移值最大且为顺水流方向，这是由于塔体仅有自重，自重起了控制作用。在与地震组合后的位移有较大的增加，以Y方向的位移为主。地震对塔体的位移影响比较显著，但相对于81m高的塔体而言这个位移是比较小的。另外，在加地震和减地震组合工况所得总的位移反应值都比较接近，说明塔体的左右和前后地震位移反应是比较对称的，也从侧面说明塔体的刚度和质量的分布是比较合理的。

3 在基本组合和校核洪水位时塔体沿不同高度的横剖面上的正应力基本都为压应力，最大值没有超过-5.0MPa，部分工况出现了较小的拉应力，最大拉应力仅为0.159MPa，此值出现在完建工况下塔体进水口上唇，但范围较小，对塔体不构成威胁。塔体的应力分布在不同高度时主要控制因素在不断变化，这些因素包括塔体的自重、截面的大小、静水压强的大小等。校核洪水位时各高程处塔体均处于压应力阶段，塔体最大应力值小于设计洪水和正常蓄水工况，说明水位的增加反而减小了应力的最大值，扬压力的托浮作用及高水位时塔体四周水体的平衡发挥了更大的作用。

6.2 建议

1 完建工况和检修工况下，塔基上表面都有数值很小的拉应力，这是由于开孔结构，两侧墙较薄，在自重作用下容易出现此情况，通过对比检修工况和完建工况应力分布可以看出，检修工况时塔底部的扬压力容易导致塔基后半部分力不平衡，从而在上表面出现拉应力。若要改善完建工况和检修工况拉应力情况，可以增加进口左右两侧墙厚度或减小开孔尺寸。

2 承载力极限状态的偶然状况时（地震工况），由于反应谱法求出的均为正值，而地震作用是往复的，所以地震作用需按照加、减地震考虑，各截面的法向应力的最小值，即最大的压应力出现在减地震工况，最大拉应力值出现在加地震。地震作用下，塔体有较大（相比于基本组合）的拉应力出现。在加地震时塔体有大部分部位出现拉应力，塔底至塔20m高度范围均处于受压状态，20m～55m范围内存在拉应力，其从下往上拉应力分布规律为：从两侧小范围拉应力开始发展，四个棱角拉应力出现，范围增大，在42m高度时，塔体后侧两棱角部位应力值达到最大值3.03MPa，此位置向上、向下及两侧应力迅速衰减。减地震时塔体整体无拉应力出现，最大压应力6.272MPa，出现在塔体与回填混凝土交界面处，范围不大，小于混凝土抗压强度。陕西水利

[1]吴建兴，韩俊岭.深孔泄洪洞进水塔三维有限元动力分析及抗震设计[J].中国水运，2014（14）:189-190.

[2]乐成军，任旭华，邵勇，王海军.水电站进水塔结构抗震设计研究[J].水力发电,2009（35）:86-89.

[3]求晓明.滩坑水电站分层取水进水塔地震响应计算[J].武汉大学学报（工学版），2010（43）:302-305.