猴子岩溢洪洞进水口闸室运行安全分析★

张元泽 蒋智勇 张顺高

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072； 2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065; 3.四川省建筑科学研究院，四川 成都 610081)

猴子岩溢洪洞进水口闸室运行安全分析★

张元泽1，2蒋智勇3张顺高1

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072；
2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065; 3.四川省建筑科学研究院，四川 成都 610081)

基于大型通用有限元软件ANSYS，建立精细三维有限元模型模拟分析了猴子岩水电站进水口闸室在运行期不同工况作用下的应力及变形规律,通过对比分析，找到对闸室运行起控制性作用的工况和闸室运行过程中的薄弱位置,该项研究成果对进水口闸室的设计以及闸室运行期的控制管理有重要的参考价值。

水电站，溢洪洞闸室，ANSYS，运行安全分析

0 引言

猴子岩水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，是大渡河干流水电规划调整推荐22级开发方案的第9个梯级电站；工程的开发任务为发电，采用堤坝式开发，枢纽建筑物由拦河坝、两岸泄洪及放空建筑物、右岸地下引水发电系统等组成[1]。

挡水和泄水建筑物设计洪水标准为1000年一遇，相应流量7 550 m3/s；校核洪水标准为可能最大洪水(PMF)，相应流量9 940 m3/s。泄洪放空建筑物由1条溢洪洞、1条深孔泄洪洞、1条非常泄洪洞和1条泄洪放空洞组成。深孔泄洪洞及非常泄洪洞布置在左岸，溢洪洞及泄洪放空洞布置在右岸。校核洪水时，溢洪洞、深孔泄洪洞、非常泄洪洞、泄洪放空洞泄量分别为4 036 m3/s，2 987 m3/s，1 470.3 m3/s和1 068 m3/s，分别占总泄量的42.2%,31.2%,15.4%和11.2%[1]。设计洪水时，在考虑一半机组过流的情况下，溢洪洞和深孔泄洪洞泄量分别为3 203.2 m3/s和2 881 m3/s，分别约占总泄量的52.6%和47.4%。可见，在各设计工况下，溢洪道均承担了大部分的泄洪任务，是猴子岩水电工程最重要的泄水建筑物。

土石坝漫顶是土石坝设计人员必须避免发生的事情[2]，土石坝一旦漫顶后果不堪设想。作为溢洪道的重要组成部分，进水口闸室能否正常工作直接关系到洪水能否正常下泄，对大坝的安全运行至关重要。因此，闸室设计成为溢洪道设计的关键。

为确保闸室设计的经济性与安全性，需要弄清楚闸室在不同运行工况下的应力及变形规律；找到对闸室运行起控制性作用的工况和闸室设计及运行过程中的薄弱位置。

1 闸室三维有限元模型及计算参数

猴子岩进口闸室模型范围取为171.1 m×70.8 m×149.7 m(长×宽×高)，利用大型通用有限元软件ANSYS内置的APDL语言进行参数化建模[3]。选用Solid185三维实体结构单元进行网格划分，模型节点总数为123 701，单元总数为486 077，猴子岩溢洪道进口闸墩三维有限元模型见图1。

坐标系以横向为Z向(宽)，竖向为Y向(高)，轴向为X向(长)，方向见图1；采用国际单位制：kg，m，s。

边墩及大梁混凝土强度等级为C30，溢流堰抗冲耐磨混凝土等级为C35；模型岩体等级主要为Ⅳ类和Ⅲ2类，岩体的变形模量和抗剪强度取地质建议值的平均值；材料主要物理力学计算参数见表1。

2 计算荷载及工况组合

表1 材料主要物理力学参数计算取值

混凝土闸室主要设计荷载包括结构自重、初始地应力、静水压力、扬压力、机电荷载等，计算工况荷载组合见表2，溢洪道闸室剖视图见图2，机电荷载作用示意图见图3。

3 有限元计算成果分析

3.1 位移计算成果及分析

各工况下闸墩的位移极值统计值见表3。可以看出，各工况下，溢洪道闸室的位移变化均比较小，总最大值为4.799 mm；溢洪道闸门工作的几个主要工况(工况2～工况4)的位移分布规律基本一致，表明闸门在正常挡水及启闭的过程中，闸室各向位移变化均较小，闸门运行过程比较平稳；工况1和工况5分别代表蓄水前以及敞泄的工况，与其他工况相比，轴向和横向的位移变化较大，位移变化小于1 mm，在闸室正常工作允许范围以内。

表2 计算工况荷载组合

表3 各工况下闸室位移极值统计表 mm

3.2 应力计算成果及分析

为了详细的考察各工况下，闸室的应力变化情况，分部位分别统计了各工况下闸室的应力极值分布情况，见表4～表6。

表4 各工况下左边墩应力极值统计表 MPa

可以看出，左边墩拉应力以轴向和竖向为主。轴向最大拉应力为0.726 MPa，出现在正常蓄水位工况(工况2)；竖向最大拉应力为0.577 MPa，出现在蓄水前(工况1)；横向最大拉应力为0.305 MPa，出现在蓄水前(工况1)；最大主拉应力为0.970 MPa，出现在正常蓄水位工况(工况2)；各工况下最大主压应力变化不大，最大值为8.22 MPa，出现在敞泄工况(工况5)。

从数值上看，左边墩的最大主拉、压应力均在混凝土的抗拉强度(1.43 MPa)及抗压强度(14.3 MPa)范围之内，表明左边墩在各运行工况下能满足承载力极限状态设计的要求。

表5 各工况下右边墩应力极值统计表 MPa

可以看出，右边墩拉应力以轴向和横向为主。轴向最大拉应力为1.31 MPa，出现在溢洪道闸门工作的几个主要工况(工况2～工况4)；横向最大拉应力为0.661 MPa，出现在正常蓄水位工况(工况2)；竖向最大拉应力为0.401 MPa，出现在蓄水前(工况1)；最大主拉应力为1.89 MPa，出现在工况1～工况4；最大主压应力值为-11.6 MPa，出现在工况1。

从数值上看，右边墩各向正拉压应力均未超过混凝土的拉、压强度要求，但从最大主应力来看，最大主拉应力分布在1.82 MPa～1.89 MPa之间，略大于混凝土的抗拉强度，需采取一定配筋措施，最大主压应力均在混凝土抗压强度范围以内。因此，右边墩通过适当配筋可以满足承载能力极限状态设计的要求。

表6 各工况下大梁应力极值统计表 MPa

可以看出，溢洪道闸门工作的几个主要工况(工况2～工况4)的应力分布规律基本一致，大梁的拉应力以轴向和横向为主，轴向最大拉应力1.88 MPa～1.89 MPa，横向最大拉应力1.07 MPa～1.08 MPa，竖向应力为0.542 MPa～0.589 MPa,数值变化不大，表明在闸门正常挡水及启闭的过程中，大梁各向应力变化均较小，闸门运行过程比较平稳；工况1(蓄水前)和工况5(敞泄)与其他工况相比，各向正应力及最大主拉、压应力均较小，表明这两个工况对大梁的运行不起控制作用。

从数值上看，工况2～工况4下，大梁轴向正拉压应力在1.88 MPa～1.89 MPa之间，最大主拉应力在2.02 MPa～2.05 MPa之间，均略高于混凝土抗拉强度要求，需采取配筋措施对大梁进行局部加强；大梁各项正压应力以及最大主压应力均未超过混凝土的抗压强度设计值。因此，大梁通过配筋可以满足承载能力极限状态设计的要求。

从总的情况来看，工况2～工况4的各向应力分布规律基本一致，随着荷载的变化，应力变化较小，表明猴子岩进水口闸室在闸门正常挡水及启闭过程中运行比较稳定；对比左、右边墩及大梁的应力水平及应力变化规律可知，大梁是闸室的关键控制单元，应加强配筋，运行期应加强检测，以保证闸室的安全运行。

4 结语

1)溢洪道闸门正常挡水及启闭工况(工况2～工况4)的位移分布规律基本一致，溢洪道闸室的位移变化较小，表明闸室运行过程比较平稳；各工况下的位移变化量小于1 mm，在闸室正常工作允许范围以内。

2)闸门正常挡水及启闭的工况(工况2～工况4)是主要的控制工况，控制工况下，各向应力分布规律基本一致，随着荷载的变化，应力变化较小，表明猴子岩进水口闸室工作性能稳定。

3)大梁在闸门挡水及启闭过程中拉应力最大，且超过混凝土抗拉强度，表明大梁是闸室最薄弱的部位，是闸室安全运行的控制性单元，设计中应加强配筋，运行期应加强检测，以保证闸室的安全运行。

[1] 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院.四川省大渡河猴子岩水电站可行性研究设计报告[R].成都：中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2009.

[2] 陈生水.土石坝溃决机理与溃坝过程模拟[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

[3] 张元泽，黄志澎，牟高翔,等.大岗山廊道三维静力线弹性有限元分析及配筋方法研究[J].水电站设计，2014(2):32.

OperationsafetyanalysisofgatechamberofHouziyanspillwaytunnel★

ZhangYuanze1,2JiangZhiyong3ZhangShungao1

(1.PowerChinaChengduEngineeringCorporationLimited,Chengdu610072,China; 2.CollegeofHydraulic&HydroelectricEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China; 3.SichuanAcademyofBuildingScience,Chengdu610081,China)

Based on the large-scale general finite element software ANSYS, the fine three-dimensional finite element model was built to simulate the stress and deformation law of the inlet gate chamber of the Houziyan hydropower station under different working conditions. Through the comparative analysis, to find the control operating conditions and the weak part of the gate chamber. The research results have important reference value both to the design of the intake chamber and to the control and management of the operation period of the gate chamber.

hydropower station, gate chamber of spillway tunnel, ANSYS, operation safety analysis

O241.82

：A

1009-6825(2017)24-0198-03

2017-06-17 ★ ：国家重点基础研究发展计划(2013CB036400)；中国电建集团成都院青年基金(2015-309)

张元泽(1983- )，男，工程师，在读博士