十三陵抽水蓄能电站上水库引水事故闸门启闭机室抗震安全分析

翟 洁，张 毅

（国网新源控股有限公司北京十三陵蓄能电厂，北京市 102200）

0 引言

十三陵抽水蓄能电站是我国北方地区建成的第一座大型抽水蓄能电站，电站上水库工程等级为一等大（1）型，引水建筑物为1级建筑物，主要建筑物地震基本烈度为Ⅶ度[1]。鉴于《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）对十三陵上水库工程区50年超越概率10%的地震动峰值加速度由0.15g调整为0.20g，相应地震基本烈度由Ⅶ度升至Ⅷ度[2]，需按照现行抗震规范规定对上水库引水事故闸门启闭机室进行抗震安全分析[3]，从而为上水库工程安全评价和运行维护提供科学依据和技术支撑。

1 十三陵上水库引水事故闸门启闭机室概况

十三陵抽水蓄能电站引水事故闸门井距上水库进/出水口约100m，距引水调压井约250m，由渐变段、井座、井身、启闭机排架和高程572.0m平台组成。上水库引水事故闸门启闭机室由四根排架柱架起，排架柱架设在井身顶部与井壁一体的牛腿上。高程572.0m平台由混凝土挡土墙和回填土石构成，平台面铺设20cm厚混凝土。

2 计算模型

2.1 有限元计算模型

对基岩、闸门井和启闭机室等均采用高质量六面体单元离散[4]，闸门井水体、启闭设备和闸门重量对结构的影响及屋顶结构采用附加质量单元处理。所得有限元模型共计包括270703个六面体单元、8296个附加质量单元和317827个节点，其中启闭机房包括82614个六面体单元、5777个附加质量单元和119287个节点。所有梁柱的结合及楼板与梁柱的结合均按刚接考虑，地梁和地基的结合按接触考虑。有限元模型的坐标原点位于572.0m高程闸门中心。坐标轴x轴正向为顺水流方向，y轴正向为启闭机室右侧指向左侧，z轴正向为竖直向上，引水事故闸门启闭机室抗震分析有限元模型见图1[5]。

图1 引水事故闸门启闭机室抗震分析有限元模型Figure 1 Finite element calculation model of upper reservoir emergency gate chamber

2.2 计算方法和假设

地震荷载作用下启闭机室的动力反应计算采用振型分解反应谱分析方法，主要研究结构抗震承载能力极限状态强度。计算时模型所涉及材料均近似按线弹性材料考虑，在计算系统自振频率和相应振型时只考虑闸门井、启闭机室、启闭设备、闸门、楼梯和屋顶的质量，地基质量假设为0；为保证计算精度，考虑到引水事故闸门启闭机室结构振型的密集和复杂性，取前100阶进行振型计算，地震作用效应不超过5%的高阶振型略去不计，各型的地震作用效应采用完全二次型方根法组合。

2.3 计算工况和计算荷载

本文对以下两种工况下的启闭机室的变形和应力进行有限元计算，根据有限元计算进行结构承载力极限状态强度复核。

工况1：正常蓄水位+地震（基本抗震复核）；

工况2：正常蓄水位+地震（补充抗震复核）。

静力分析时荷载包括结构和设备自重、静水压力、风荷载、雪荷载、启闭机室584.0m高程楼板和启闭机室屋顶活荷载等，其中上水库水位按正常蓄水位考虑。动力分析时闸门井内动水压力按附加在闸门井内表面的质量考虑[6]。

2.4 计算参数

根据《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB 35047—2015)，十三陵引水事故闸门启闭机室的抗震设防类别为乙类。鉴于《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）对十三陵上水库工程区50年超越概率10%的地震动峰值加速度由0.15g调整为0.20g，相应地震基本烈度由Ⅶ度升至Ⅷ度，相应特征周期为0.4s。闸门井和启闭机室所处场地为I0类场地，其设计水平向地震动峰值加速度代表值ah调整为0.152g，相应的反应谱特征周期为0.25s。作为参考，本文亦取Ⅱ类场地基本地震动峰值加速度分区的峰值加速度范围上限0.28g，对启闭机室进行了补充抗震复核（以下简称参考地震）。进行参考地震抗震复核计算时水平向地震动峰值加速度按0.2128g取值，反应谱特征周期Tg采用较设计水平向地震动峰值加速度代表值ah=0.152g对应的反应谱特征周期0.25s提高0.05s，亦即0.3s[7-9]。

本文采用振型分解反应谱法计算地震作用效应，反应谱采用标准设计反应谱，对于启闭机室，其标准设计反应谱最大值的代表值βmax参照《水工建筑物抗震设计规范》（NB 35047—2015）中对进水塔的规定，按βmax=2.25取值。综上所述，十三陵上水库引水事故闸门启闭机室抗震复核地震参数见表1。

表1 上水库引水事故闸门启闭机室抗震复核地震参数Table 1 Seismic analysis parameters of upper reservoir emergency gate chamber

静力计算所需材料参数包括基础岩体、闸门井和启闭机房排架结构混凝土以及启闭机室普通砖和加气混凝土砖砌体的密度、弹性模量和泊松比，具体取值见表2。静力计算中不考虑岩体自重，动力分析中不考虑岩体质量，动弹性模量按表2中所示数据提高50%考虑[10]。

表2 闸门井和启闭机室材料参数Table 2 Material parameters of gate shaft and upper reservoir emergency gate chamber

3 静、动力计算分析

3.1 正常蓄水位下静力计算分析

静力计算结果表明，在静力荷载作用下，拉应力较大部位（超过C25混凝土1级建筑物限裂应力1.38MPa）发生在预制梁端部、梁L11及L10的端部、地梁底部与立柱的结合部位、牛腿与闸门井的结合部、屋顶楼板支撑梁L-3b和L-4的中部。最大拉应力发生在屋顶楼板支撑梁L-3b的中部，其值为1.74MPa，在静力荷载作用下，这些部位的混凝土具有开裂的风险，考虑到启闭机室为限裂设计，上述各构件的实际配筋可满足限裂要求。

3.2 设计地震作用下动力计算分析

与仅考虑静力荷载作用的结果相比，在考虑设计地震的作用后，启闭机室排架中、下部，亦即自圈梁QL1以下(包括圈梁QL1)各梁和柱中的最大拉应力显著增加，尤其是梁L10、L10′、L11、L11′和预制梁 YL-1两端的顶部和底部。在梁L11、L11′和预制梁YL-1上游端的底部、梁L11下游端的顶部和上游侧梁L10两端的顶部，以及预制梁YL-1下游端的顶部，第1主应力大范围超过3.0MPa，在预制梁上游端底部最大达到5.7MPa, 在设计地震作用下，这些部位将会被拉裂。在圈梁QL1的东西两侧的上游端底部，第1主应力小范围达到2.0MPa以上，局部达到2.5MPa以上，有一定开裂风险。上述各部位第1主应力的方向都近似水平，与梁的水平纵轴线平行，如图2所示。

在设计地震的作用后，启闭机排架上部(圈梁QL1顶部以上，尤其是584.0m高程楼面以上)各梁柱和楼板中的拉应力增加不明显，拉应力较大的部位依然位于屋顶楼板支撑梁L-3b和L-4底面的中部。

3.3 参考地震作用下动力计算分析

图2 设计地震下典型部位第1主应力分布Figure 2 First principal stress distribution of typical positions under design earthquake

与考虑设计地震作用后的结果相比，在考虑参考地震的作用后，启闭机排架中、下部，亦即自圈梁QL1以下(包括圈梁QL1)各梁和柱中的最大拉应力大幅增加，除上节提及的各部位外，上游侧立柱Z2底部、上游侧梁L10和L10′东西两端的底部、预制梁YL-1下游端的底部、梁L11和L11′下游端的底部、梁L11上游端的顶部、下游侧梁L10西侧顶部, 第1主应力亦大范围超过3.0MPa，在预制梁上游端底部最大达到8.3MPa。

在考虑参考地震作用后，与考虑设计地震作用的结果相比，梁L10、L10′、L11、L11′、预制梁YL-1几乎全断面受拉，其顶部和底部的拉应力显著增加，且拉应力要远大于梁截面中心附近的拉应力。圈梁QL1底部的应力亦显著增加，在圈梁QL1的东西两侧的上游端底部，第1主应力小范围达到3.0MPa以上，局部达到3.5MPa以上(最大达到4.08MPa)，开裂风险很大。启闭机排架上部(圈梁QL1顶部以上，尤其是584.0m高程楼面以上)各梁柱和楼板中的拉应力增加亦不明显，拉应力较大的部位亦位于屋顶楼板支撑梁L-3b和L-4底面的中部，如图3所示。

3.4 承载力极限状态验算分析

根据启闭机室在设计地震和参考地震作用下的应力计算结果，按非杆件体系钢筋混凝土结构的线弹性应力图法对启闭机室排架拉应力较大的构件进行承载力极限状态配筋验算，其结果见表3。从表3可以看出，在设计地震作用下，启闭机室排架拉应力较大构件的实际配筋均满足规范要求。在参考地震作用下，除预制梁YL-1外，启闭机室排架其他各拉应力较大构件的实际配筋亦满足规范要求，且有较大富裕。

图3 参考地震下典型部位第1主应力分布Figure 3 First principal stress distribution of typical positions under reference earthquake

表3 启闭机室结构承载力极限状态 抗震复核配筋验算结果 Table 3 Checking result of reinforcement for bearing capacity of upper reservoir emergency gate chamber

4 结论

十三陵上水库引水事故闸门启闭机室结构的三维有限元静、动力计算分析结果表明，在考虑设计地震作用后，启闭机房排架下部（圈梁QL1顶部以下）各梁柱内的拉应力相对静力计算结果显著增加，尤其是预制梁YL-1，梁L10、L10′、L11和L11′两端的顶部和底部，这些部位在设计地震作用下会发生开裂，但是承载力极限状态配筋验算结果表明，这些构件的实际配筋均明显高于计算所需配筋，满足规范要求。

在参考地震作用下，启闭机室排架下部（圈梁QL1顶部以下）各梁柱内的应力进一步大幅增加，尤其是预制梁YL-1，梁L10、L10'、L11和L11'两端的顶部与底部和上游侧立柱Z2的底部及圈梁QL1的东西两侧的上游端底部，在参考地震作用下会发生开裂，但配筋验算结果表明，除预制梁YL-1外，其他各构件的实际配筋均满足规范要求，且具有较大富裕。

综上所述，在设计地震和参考地震的作用下，十三陵上水库引水事故闸门启闭机室排架下部的部分梁柱（主要是预制梁YL-1, 梁L10、L10′、L11和L11′两端的顶部和底部）会出现开裂损坏，除预制梁YL-1外，其他构件极限承载力满足现行规范要求。建议对梁L10和L11，尤其是预制梁YL-1进行适当加固处理[11]，以降低其在设防地震作用下的损坏程度，提高启闭机室的抗震安全性。