长河坝水电站放空洞进水口结构三维有限元分析

鲁　毅，　李　艺

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都　610072)



长河坝水电站放空洞进水口结构三维有限元分析

鲁毅，李艺

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：采用三维有限元方法，对长河坝水电站放空洞进水口结构进行了整体应力和变形分析，得到了静力和动力等多种工况下结构的应力变形分布规律。根据计算成果，重点分析了结构各关键部位的应力变形情况，给出了相应部位的配筋原则。

关键词：长河坝水电站；进水口；抗震计算；有限元数值分析

1工程概述

工程场地地震基本烈度为Ⅷ度。据“四川省大渡河长河坝水电站防震抗震研究设计专题报告”的抗震设防标准，放空洞进水口设计地震加速度代表值取222 gal。

由于放空洞进水口具有塔体高、地震烈度大等特点，加之进水口本身结构复杂，因此，有必要对其结构进行三维有限元分析。特别是在作为控制工况的地震工况下，对结构各关键部位的应力、应变情况需要有清楚的认识。计算结果对结构的配筋具有一定的指导意义。

2计算模型

2.1模型及边界条件

本次研究的对象是长河坝水电站放空洞进水口塔体，相应的计算模型是根据进水塔布置图、放空洞进口结构图等相关资料建立的，模型包含塔体进口流道底板、流道边墙、流道顶部及塔身、门槽及二期混凝土、通气孔、回填混凝土及周围岩体。塔体计算模型以塔体为中心，底部混凝土建基面高程为1 585 m，塔高112 m，向前、后侧岩体各取77 m和100 m，向左、右侧岩体各取50 m，向下侧岩体取100 m。塔体结构三维有限元模型采用SOLID45实体八结点六面体及其退化的四面体单元。整个模型结点总数为67187，单元总数为60246。网格划分考虑了结构的受力特征，在可能发生应力集中的部位密集一些，从塔体内部流道周围、门槽及通气孔四周由内往外逐渐放大单元尺寸。模型见图1和图2。

2.2计算荷载

根据计算工况及相应的荷载组合，需要考虑的计算荷载包括：自重、静水压力、动水压力、扬压力、地震力、温度应力等。各项荷载按《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077-1997)以及《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073-2000)进行考虑并施加到模型相应的位置。

模型分析时，按常规计算方法进行，采用无质量地基、位移边界法固定边界约束。材料模型均采用线弹性本构理论，动力计算时均采用振型分解反应谱法。

其中，上游正常蓄水位高程为1 690 m，校核洪水位高程为1 694.6 m。

给予常规方案进行治疗，包括药物治疗，如尼莫地平、脑蛋白水解物、胞磷胆碱及他汀类降脂药等，并配合物理治疗、常规康复训练方法等进行干预，主要包括肢体平衡训练、步态训练、语言及日常生活训练措施，每次训练时间为30～40 min，每日训练2次。时间为4周。

地震动水压力根据《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073-2000)按附加质量考虑，将动水压力折算为与单位地震加速度相应的结构面附加质量，实常数中设置了方向性。笔者考虑了塔外、塔内三个方向的附加质量，以Mass 21单元的形式计入模型中。

对于地震荷载，将水平面设计地震加速度代表值取222 gal。场地特征周期为0.2 s，混凝土的阻尼比为5%，设计反应谱最大值的代表值βmax为2.25。

塔体混凝土及回填混凝土均考虑温降5 ℃。

2.3计算工况

图1　整体模型示意图

图2　塔体模型(取一半)示意图

放空洞进口塔体结构静动力分析主要计算工况共计7种。各工况具体荷载组合说明见表1。

3计算结果及分析

说明：X方向为顺水流方向，指向下游为正；Y方向为横水流方向；Z方向为竖直方向，向上为正，方向符合右手法则。

3.1位移

在各工况下，塔体的位移场分布规律基本一致：综合位移的最大值均出现在塔顶上游侧角点处，结构综合位移表现为顺水流方向递减和沿高程递增的趋势。在完建+温降工况下，塔体的竖直方向位移最大，达到-11.745 mm，主要是由于结构自重和混凝土温降收缩造成。在各工况下，塔体结构顺水流和垂直水流向的位移均不大，综合位移表现为以竖直方向的位移为主。各工况下塔体结构各向位移情况见表2。

表1　计算工况及荷载组合情况表

注：(1)电站设计洪水工况同正常蓄水工况；(2)放空工况塔前水位高程为1 658.5 m。

表2　各工况位移极值汇总表　/mm

3.2应力

在各种工况下，塔体的应力场符合一般规律。最大拉应力出现在检修工况，其值为2.59 MPa，位于闸门槽处。比较各静力工况可以看出：在温降工况下，由于混凝土材料与基岩材料热膨胀系数的差异，塔体底板后部与塔背围岩交接处以及塔体结构内部边角点出现了较大的表层张拉应力，因此，需关注塔体关键部位在温度作用下的应力变化。

底板结构：底板部位最大拉应力出现在完建+温降工况，最大拉应力为1.99 MPa，表现为顺水流和垂直水流方向的张拉应力为主。

表3　配筋计算结果汇总表

流道结构：在边墙对塔基底板两侧的挤压作用以及水流对底板和边墙的推力作用下，底板及流道表面出现张拉应力，同时考虑温降作用下混凝土的收缩，最大拉应力出现在施工完建+温降工况下，其值为2.44 MPa，垂直水流方向以张拉应力为主。

闸门槽结构：闸门槽部位最大拉应力出现在检修工况，最大拉应力为2.59 MPa，垂直水流方向以张拉应力为主。

胸墙结构：胸墙结构最大拉应力出现在施工完建+温降工况，其值为1.1 MPa。该处的主拉应力表现为以垂直水流方向的正应力为主。

支铰大梁：支铰大梁的最大拉应力出现在正常蓄水位挡水+地震工况，其值为0.86 MPa，位于支铰大梁与边墙交接处。总体来看，支绞大梁应力较小。

4结语

通过三维有限元分析得知：长河坝水电站放空洞进水口塔体整体应力位移符合实际规律，除局部位置出现应力集中现象外，塔体整体应力在混凝土抗拉、抗压强度范围之内。设计方案合理，符合相关规范要求。通过计算结果整理出各部位的配筋，对工程技施设计具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]DL5073-2000，水工建筑物抗震设计规范[S].

[2]DL/T5398-2007，水电站进水口设计规范[S].

[3]赵晓西. 进水塔三维有限元分析[C]. 郑州大学,2001,5～7.

[4]郝文化. ANSYS土木工程应用实例[M]. 北京：中国水利水电出版社,2005.

鲁毅(1961-)，男，安徽芜湖人，高级工程师，从事水工结构设计工作；

李艺(1987-)，男，重庆长寿人，助理工程师，硕士，从事水工结构设计工作.

(责任编辑：李燕辉)

由中水五局公司总承包的阿贾哈拉水电站开工

2015年12月26日，由中水五局公司EPC总承包的多哥—贝宁阿贾哈拉水电站奠基仪式在该项目施工现场隆重举行。该水电站是中国、多哥、贝宁三国元首商定的三方合作的大型基础设施项目，是西非地区第一个跨界三方合作项目。多哥、贝宁两国总统共同为阿贾哈拉项目奠基石揭幕。多哥、贝宁两国能源部部长均对中国政府、中国进出口银行以及中国电建集团的大力支持表示衷心地感谢！并表示项目建成后，将有效地促进两国电网建设，对两国未来的电力供应提供了坚实的保障，为两国今后的经济和社会发展起到重大的推动作用。多哥、贝宁两国主要电视台、主流媒体对该奠基仪式进行了直播及专题报道。阿贾哈拉水电站采用EPC总承包管理模式，电站装机容量14.7万千瓦，年平均发电量为461千瓦时。可提供近10 000个就业岗位，造福多哥、贝宁两国人民。项目建成后，将有效缓解两国对境外电力的依赖，每年等效减少二氧化碳排放15万吨，促进国内电源结构平衡，大幅降低电价水平，为两国人民创造巨大的经济效益，不断提升两国人民的物质文化生活品质。

玉瓦水电站引水隧洞全线提前贯通

2015年12月25日，由中水五局一分局承建的玉瓦水电站全长7 777米的引水隧洞全线贯通，较计划工期提前7天，为该工程顺利完工赢得了宝贵的时间，受到了业主、监理等的肯定和表扬。玉瓦水电站位于四川省九寨沟县境内，是白水江干流水电规划“一库七级”开发方案中的第二级电站。闸址距九寨沟县约74公里。工程枢纽由拦河闸坝、进水口、引水隧洞、调压井、埋藏式压力管道、地面厂房等建筑物组成。电站设计引用流量41立方米/秒，额定水头135米，水库正常蓄水位高程2 019米，总库容13.24万立方米，调节库容8.45万立方米，装机容量4万千瓦，年发电量2.046亿千瓦时。该电站的建设对加快少数民族地区经济发展，实现白水江流域梯级滚动开发具有重要意义。中水五局承建该电站首部枢纽及引水系统。

作者简介:

收稿日期:2015-11-05

文章编号:1001-2184(2016)01-0032-03

文献标识码:B

中图分类号:TV7；TV222