某水电站工程预应力闸墩三维有限元分析

2018-06-13许战军

陕西水利 2018年3期

许战军

1 工程概况

某水电站位于老挝西北部，距离首都万象约90 km。，坝址以上流域面积5050 km2，多年平均降雨量2494 mm，多年平均流量198.40 m3/s，多年平均最大风速26.9 m/s。该电站为河床式电站，枢纽建筑物从左岸到右岸依次为：门库坝段、4孔泄洪闸、发电厂房及室外开关站。挡水建筑物按10000年一遇洪水设计，相应泄水建筑物最大下泄流量为9150 m3/s。门库坝段位于左岸，用于存放泄洪闸及厂房的检修叠梁门。坝顶高程197.80 m，建基面高程164.50 m，最大坝高33.30 m。泄洪闸位于门库坝段右侧，为带弧门的溢流堰，共四孔。泄洪闸下游采用消力池消能，池深1.4 m，池长45.3 m，池宽64 m。地面发电厂房位于右岸，厂房内安装2台贯流式发电机组，总装机64.72 MW（2×32.36 MW），机组安装高程161.00 m。厂房尺寸56.18 m×27.5 m×47.67 m（长×宽×高）。

泄水闸闸顶高程197.80 m，堰顶高程177.50 m，建基面高程为164.50 m。泄水闸最大闸高33.30 m，闸室段长39.377 m，总宽度 65.5 m，设 4孔，孔口尺寸为 13 m×17.5 m（W×H）,不设缝墩。泄洪闸有2个中墩和2个边墩，中墩厚3 m，右边墩厚3 m，左边墩为悬臂式挡墙，顶宽1.5 m。左边墩左侧为门库坝段，右边墩右侧为发电厂房。

闸墩锚索布置分主锚索和次锚索。主锚索在中墩对称布置，在闸墩立面上为扇形布置型式，在水平面上为平行布置型式。中墩主锚索设4层，外侧8束，内侧4束。钢绞线直径为15.24 mm，单束由18根钢绞线组成，单束锁定吨位0.65FU=3047kN，永存吨位为2742KN，超张拉吨位3016kN。弧门单支铰推力15720kN，拉锚系数为2.09。中墩的水平次锚索布置于锚块内，次锚索分3排在垂直弧门推力方向上，每排均布置4束，共12束。次锚索的锚固端均设在锚块的外侧。钢绞线直径为15.24 mm，单束由12根钢绞线组成，单束锁定吨位0.65FU=2031kN，考虑预应力损失后的永久吨位为1828kN，超张拉吨位2102kN。

为了提高预应力锚索的预压效果，在锚块上游侧设置预留槽，预留槽宽度为0.3 m，长度为1.0 m。

2 计算模型与边界条件

本次计算采用大型通用有限元分析软件ANSYS[1]，选取中墩坝段建立该水电站厂房三维有限元计算模型，混凝土材料按线弹性进行计算。整体计算模型单元剖分基本采用八结点六面体实体单元SOLID45，结构网格尺寸控制在0.5 m以内，基础网格尺寸控制在0.5～5.0 m，单元共计108069个，节点共计107257个。

基岩的模拟范围为：上、下游方向由坝体上下游边界分别向两侧延伸60 m，基岩深度方向由底部最低点向下延伸50 m。基础底面固结，基础四周施加法向约束，闸墩结构与基础间按连续单元模拟，闸墩结构上、下游、顶部均按自由边界。

模型整体坐标系原点设在计算模型左侧坝踵处，应用的坐标系为：坝轴线方向为X轴方向，向右岸为正；水流方向为Y轴方向，向下游为正；沿高度方向为Z轴方向，向上为正，闸墩有限元模型见图1。

图1 闸墩有限元计算模型

3 计算工况与荷载组合

由于计算工况比较多，本文选取两个具有代表性的典型工况（正常运行工况和检修工况）进行计算分析[2-4]。正常运行工况下，两侧弧门挡水；检修工况下，一侧弧门正常挡水，一侧检修闸门挡水[5]。上游正常蓄水位195.00 m，下游正常尾水位173.93 m。各运行工况所考虑的荷载见表1。

表1 荷载组合表

4 计算结果分析

本文采用三维有限元法，对两个典型工况下闸墩结构的应力进行了计算，各工况下计算所得的闸墩关键部位应力值见表2和表3。

由表2可知，正常运行工况下，拉应力区都主要出现在锚固洞下游面、锚固洞底面、锚固洞顶面、闸墩底部等部位；压应力区主要出现在锚块上下游面、锚块侧面、锚固洞下游面以及闸墩下游面与溢流面相交处等部位，最大压应力小于混凝土材料的抗压强度。锚固洞顶面、下游面、底面均产生了较大的拉应力，锚固洞顶面X、Y、Z三个方向的最大拉应力为0.9 MPa、5.4 MPa、2.6 MPa；锚固洞下游面 X、Y、Z 三个方向的最大拉应力为 2.2 MPa、6.5 MPa、7.4 MPa；锚固洞底面 X、Y、Z 三个方向的最大拉应力为0.6 MPa、6.5 MPa、2.3 MPa，锚固洞周边拉应力主要是由主锚索上施加的预应力所引起。中墩底部的X、Y、Z 方向的最大拉应力为 0.4 MPa、1.9 MPa、3.0 MPa。

表2 正常运行工况闸墩关键部位最大、最小应力（MPa）

表3 检修工况闸墩关键部位最大、最小应力（MPa）

由表3可知，检修工况下，中墩坝段拉应力区主要出现在锚固洞顶面、锚固洞下游面、锚固洞底面、锚块上游面、锚块顶面、中墩顶面（与锚块下游面交界处）、检修门槽底部等部位；压应力区主要出现在锚固洞下游面、锚块侧面、锚块下游面等部位，最大压应力小于混凝土材料的抗压强度。锚固洞顶面、下游面、底面均产生了较大的拉应力，锚固洞顶面X、Y、Z 应力最大值分别为 0.4 MPa、3.5 MPa、1.7 MPa，锚固洞下游面 X、Y、Z 应力最大值分别为 2.0 MPa、4.1 MPa、5.6 MPa，锚固洞底面X、Y、Z应力最大值分别为 0.4 MPa、3.9 MPa、1.6 MPa。锚固洞周边拉应力主要是由主锚索上施加的预应力所引起。中墩底部的X、Y、Z方向的最大拉应力为0.5 MPa、1.1 MPa、3.6 MPa。检修门挡水一侧门槽出现较大Z向拉应力3.4 MPa，此应力是由闸墩左右侧不平衡水推力所致。空腔上游面、空腔下游面出现较大拉应力，空腔上游面X、Z向应力最大值为2.6 MPa、2.0 MPa，空腔下游面X向应力最大值为2.6 MPa，这些部位的拉应力是由主次锚索预应力及右侧弧门推力所引起。