瀑布沟水电站进水口应力与变形分析

李 健，王辉义

(国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州 311122)

岸塔式进水口是引水发电系统的咽喉，也是确保其后引水隧洞和发电厂房安全的重要屏障[1-3].随着西南水电资源大规模开发，高坝大库越来越多，岸塔式进水口的高度也高达百米.对于百米级的高耸塔体结构，考虑其内布置有事故闸门、工作闸门及其启闭设施，孔洞众多且交错相通，结构及受力均较复杂，若再采用简单的杆件体系或平面有限元法进行应力变形分析，可能造成无法得到结构关键部位的应力分布而使计算结果显得过于粗略，难以完全满足工程设计需要.本文依托瀑布沟水电站96.0 m高的岸塔式进水口结构，基于Abaqus平台，在整体三维线弹性有限元分析的基础上，采用子模型技术[4]，考虑混凝土损伤塑性及与钢筋联合受力[5-7]，对孔口局部主要拉应力区域进行局部三维非线性应力应变分析，以更深入了解孔口周边混凝土的应力状态，为结构设计和配筋计算提供依据与参考.

1 计算模型

1.1 结构布置

瀑布沟水电站水库正常蓄水位850.00 m，岸塔式进水口群采用“一”字布置于左岸，各进水口自成独立单元结构，均由拦污栅段和进水段组成.进水口建基于花岗岩与玄武岩地基，建基面高程765.00 m，最大塔高96.0 m；进水口单塔横流道向宽28.86 m，孔口两侧边墙厚10.68 m.进水口沿流道向长28.3 m，进水段长19.3 m，其内布置一道检修闸门和一道工作闸门，孔口尺寸分别为7.5 m×9.5 m(宽×高)、7.5 m×10.08 m(宽×高)，工作闸门后设有断面尺寸为4.0 m×1.5 m的通气孔.进水口后采用长20.0 m的渐变段与圆形压力管道相接.

1.2 材料参数与荷载工况

进水口塔体混凝土强度等级为C20，混凝土损伤塑性模型采用水工混凝土结构设计规范[8]推荐的单轴拉伸压缩应力—应变曲线，在Abaqus非线性有限元计算中所需相关输入参数由能量等效理论推导，混凝土材料基本参数(见表1).钢筋采用等向硬化模型，硬化曲线采用常见的三折线模型，钢筋材料基本参数(见表2).

计算荷载主要包括结构自重、水压力、扬压力及浪压力、上部设备荷载等，均按水工建筑物荷载设计规范取值[9].线弹性计算包括施工完建期和蓄水运行期两种工况，非线性有限元计算分两个荷载步分别模拟施工、蓄水过程.

表1 混凝土材料基本参数

表2 钢筋材料基本参数

1.3 有限元模型

进水口有限元模型考虑整体模型和孔口局部子模型.整体模型包括进水口塔体混凝土结构及周围岩石基础，岩石基础截取范围根据工程经验确定，一般截取特征尺寸的1.5倍左右；子模型是根据线弹性有限元计算结果，并考虑计算规模，从整体模型中切割出孔口周边混凝土子域，网格划分加密一倍，以满足计算结果精度要求.

混凝土和钢筋分别采用Abaqus中的C3D8和TRUSS单元进行有限元网格划分，并采用*EM-BEDDED REGION定义它们之间的相互作用.三维整体模型和孔口局部子模型有限元网格(见图1)，单元总数分别为47 990、38 128.

图1 有限元网格剖分

1.4 子模型方法

子模型方法是提高大型复杂结构局部区域求解精度的有限单元技术.本次子模型计算依托Abaqus平台，首先准备子模型数据文件和相应整体模型计算结果文件，然后在子模型数据文件中使用*SUBMODEL和*BOUNDARY，SUBMODEL，STEP命令调用整体模型中属于子模型边界的单元信息和计算结果，采取插值的方法将整体模型位移结果转化为子模型指定位移边界条件，并按子模型数据文件中指定的增量步进行加载求解.

2 计算结果

2.1 整体模型线弹性分析

进水口塔体施工完建期水平位移沿流道向最大值为7.071 mm，出现在塔体顶部，倾向上游；水平位移横流道向最大值为0.403 mm，均表现为向孔口外侧变形；竖直向位移最大值为9.514 mm，表现为向下沉降.进水口塔体蓄水运行期各向位移最大值出现部位与施工完建期一致，但受水压力、扬压力作用影响，各向位移均较施工完建期有较大减小，相应最大值分别为4.516 mm、0.268 mm、7.047 mm.施工完建期各向位移分布(见图2).

进水口塔体施工完建期整体呈受压状态，压应力均不到3.0 MPa，仅在孔口顶板、底板表层受拉，最大水平横流道向拉应力为1.963 MPa，但衰减较快，沿高程在不到2.0 m范围迅速衰减到0.6 MPa以下，应力分布(见图3(a)).进水口塔体蓄水运行期应力分布规律与施工完建期一致，但受水压力、扬压力顶托作用，应力峰值均大幅减小，最大水平横流道向拉应为0.944 MPa，应力分布(见图3(b)).

图2 整体模型施工完建期各向位移等值线云纹图

图3 整体模型水平横流道方向应力等值线云纹图

由位移和应力计算结果可知，施工完建期的位移及应力均较蓄水运行期大，施工完建期为进水口静力条件下的控制工况.特别是蓄水后，水平横流道向拉应力峰值由1.963 MPa减少至0.944 MPa，应力状态改善幅度较大，因此施工时要合理设计浇筑层厚和安排施工工期，避免由于拆模过早或混凝土凝期不够造成的施工拉裂缝.

2.2 子模型非线性分析

根据整体模型计算结果，采用子模型技术，考虑混凝土的损伤塑性性能后，混凝土水平横流道向拉应力峰值较线性计算结果明显减小，但其拉应力范围有一定增大，说明混凝土发生损伤塑性后，损伤塑性部位及其周边混凝土应力重新调整分布，计算结果与理论相符.非线性计算出的应力峰值不超过混凝土抗拉强度，损伤塑性范围仅分布流道中轴线孔口顶、底板浅表层，沿高程不到0.5 m(见图4).

跟踪受拉发生损伤塑性单元结点应力—应变历程曲线(见图5)，从施工完建到蓄水过程，孔口混凝土损伤塑性区经历了弹性-损伤塑性-卸载的应力变化过程.在塔体混凝土浇筑上升过程中，孔口顶、底板表层水平横流道向拉应力峰值在达到抗拉强度1.50 MPa后进入损伤塑性状态，而在蓄水期间，孔口周边混凝土应力状态得到改善而处于卸载状态，且不再承受拉应力.

图4 子模型孔口周边混凝土损伤塑性等值线云纹图

图5 损伤塑性单元结点应力—应变历程曲线图

计算结果表明，孔口流道周边混凝土拉应力范围考虑钢筋后的非线性与不考虑钢筋作用基本相同，但混凝土塑性应变峰值较不考虑钢筋减少约15%，说明布置钢筋对阻止裂纹扩展具有较好效果.计算的钢筋拉应力很小，采用混凝土与钢筋位移协调模式，并不能完全真实地模拟混凝土与钢筋的相互作用和传力机制有关.

非线性计算时发现，增量步、荷载步选择尤为重要.如果增量步太少，跟踪应力—应变关系曲线会出现漏掉峰值的情况，即混凝土未达到抗拉强度就进入损伤塑性状态；如果将施工期和蓄水期放在一个荷载步中按比例增量加载，会出现孔口周边混凝土横流道向应力一直在抗拉强度范围，导致与实际不符.

3 结 论

整体模型线弹性计算结果表明进水口塔体各向位移均很小，塔体刚度可以满足设计要求.整体模型线弹性与子模型非线性计算的混凝土应力分布规律一致，拉应力区集中在孔口周边，沿高度衰减梯度大，损伤塑性区仅分布在流道中轴线孔口顶、底板浅表层0.5 m范围内，表明塔体混凝土强度能满足设计要求.

值得关注的是，进水口塔体静力条件下的控制工况为施工完建期，蓄水后应力状态得到较大改善，因此施工时应注意施工拆模和混凝土分层浇筑及进度控制，以确保孔口周边混凝土有足够的凝固时间.另外，鉴于该塔体结构安全裕度较大，以后类似进水口结构设计时，可开展单塔塔体宽度、高度与孔口尺寸之间的比例关系和群塔进水口的塔体之间相互作用对孔口混凝土水平横流道向拉应力影响的研究，以期进一步优化塔体结构.

[1] 张 丹，李 伟.遵义下坝水库取放水隧洞建筑物优化设计[J].浙江水利水电学院学报，2016，28(1)：32-36.

[2] 杨 武，谭剑波.天生桥水库输水隧洞安全复核及除险加固设计[J].浙江水利水电学院学报，2016，28(4)：36-39.

[3] 魏彩章，余培琪，李 洁，等.DL5398—2007水电站进水口设计规范[S].北京：中国电力出版社，2007.

[4] 李 健.高耸岸塔式进水口结构动力特性研究与破坏仿真分析[D].武汉：武汉大学，2005.

[5] 徐远杰，楚锡华，陈 龙.高混凝土重力坝孔口应力非线性数值模拟[J].计算机辅助工程，2010，19(2)：20-25.

[6] 陈 进，王光纶，段云岭，等.重力坝深(底)孔断面钢筋混凝土模型试验研究[J].水利学报，1998(8)：1-5.

[7] 彭宣茂，傅作新，钱向东.三峡厂房坝段引水管道孔口配筋三维非线性分析[J].水力发电，2001(4)：15-18.

[8] 魏坚攻，石广斌，侯建国，等.DL5057—2009水工混凝土结构设计规范[S].北京：中国电力出版社，2009.

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