大型阻抗式尾水调压室衬砌结构三维有限元分析

黄 娟，李 艺

（1.中国核动力研究设计院，四川成都 610213；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

为了减小水锤压强，提高电站运行的稳定性和供电质量，水电站有压引（尾）水系统上一般设置调压室。近年来，随着我国水电建设的迅猛发展，为了满足结构布置和运行条件，大型阻抗式调压室在地下式水电站中越来越多地被采用，且呈现出结构形式复杂、断面尺寸大、地质条件复杂、受力复杂等特点，因此阻抗式调压室结构的稳定及安全问题十分突出。

阻抗式调压室深埋于山体中，属于地下结构工程范畴，目前对于地下工程围岩稳定性及结构设计的分析方法主要有传统结构力学法和有限单元法。对于地质条件和结构型式复杂的阻抗式调压室，传统的结构力学法越来越不能适应设计的要求，而有限元法以对复杂几何构造的适应性以及求解结果的可靠性等特点，在大型调压室结构计算中已经得到了越来越广泛地应用。

1 三维有限元计算分析

1.1 结构介绍

某电站工程区地震设防烈度为8度，调压室结构按100年超越概率2%的地震水平加速度297 gal进行设计。该电站尾水系统采用“二机一室一洞”布置方式，尾水连接管断面尺寸9.00 m×14.00 m，在调压室内2机交汇为一条尾水洞。1号尾水调压室连接①②机组及①尾水洞；2号尾水调压室连接③④机组及②尾水洞，下上部跨度分别为22 m、23.5 m；总长140.20 m，中间用16 m岩柱隔开；尾水调压室高度受起闸控制，室高75.35 m。上下、左右端墙衬砌厚均为0.85 m，阻抗隔板厚2 m，阻抗隔板以下流道高14 m。

调压室上游侧设尾水管检修闸门，闸门孔口尺寸9.00 m×14.00 m（宽 ×高），尾水闸墩尺寸4.00 m×5.70 m。检修平台之上设置启闭机排架，排架柱固结在闸墩上。

1.2 计算模型

1.2.1 模型及边界条件

尾水调压室模型包含调压室上室流道、调压室下室流道、底板、闸墩、阻抗板及周围岩体。调压室计算模型以调压室为中心，向四周及上下侧岩体各取25 m左右。

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124 569，单元总数为124 733，计算模型见图1和图2。

图1 调压室整体模型

图2 调压室三维离散模型（取一半）

模型的约束条件为：四周及上边界均施加法向约束，底部边界施加全约束。

1.2.2 计算参数

混凝土结构部分的强度等级均为C25。调压室四周围岩按地质剖面图大致可划分为Ⅲ1、Ⅲ2和Ⅳ类，具体计算参数见表1。

工程场地地震基本烈度为Ⅷ度，调压室结构按100年超越概率2%的地震水平加速度297 gal进行设计。

表1 材料参数

1.3 计算工况及荷载

计算工况及荷载组合见表2，计算计入的主要荷载有自重、内水压力、外水压力、围岩压力、地震力、阻抗板压差及启闭力。

表2 计算工况及荷载组合

1.4 计算成果分析

计算模型坐标系为笛卡尔坐标系，三轴方向的确定规则：①X轴，为尾水洞中心线方向，指向下游为正；②Z轴，为竖直方向，自下而上为正；③Y轴，水平面为XY平面，符合右手螺旋定则。

1.4.1 位 移

为了便于成果分析比较，约定如下：位移值为“+”，表示该结构部位的位移与相应的坐标轴正向一致，“-”号表示沿各坐标轴负向一致；如果没有特别说明，计算结果均为沿整体坐标的位移值，且约定桩号、高程、横水流向尺寸都以m为单位，位移矢量与位移分量值一律以mm为单位整理。

（1）顺水流向位移UX。各计算工况下，结构顺水流水平向位移UX峰值详见表3。

（2）横水流向位移UY。各计算工况下，结构横水流水平向位移UY峰值详见表4。

表3 结构顺水流水平向位移UX峰值 mm

表4 结构横水流水平向位移UY峰值 mm

（3）竖向位移UZ。各计算工况下，结构竖向位移UZ峰值详见表5。

表5 结构竖向位移UZ峰值 mm

从位移成果来看，结构最大顺水流水平向位移主要发生在尾水连接管检修工况和最低涌浪工况，其值分别为-1.426 mm和-1.448 mm。主要是由于外水压力的作用，产生在上室下游侧边墙中部。

在横水流向，由于结构各部位均与基岩紧密相连，因此位移相对较小，最大位移峰值为0.688 mm，发生在调压室左右两侧边墙，主要由于外水作用产生。

竖向位移，在最高涌浪且阻抗板压差向下工况下，最大位移峰值为-1.031 mm，主要发生在阻抗板靠阻抗孔端中部，此部位为阻抗板自由端，由阻抗板向下水压差及自重等因素引起，这也是整个结构的最大位移。因此阻抗板成为调压室结构受力关键部位。

通过以上位移计算成果可以看出，结构各部位总体位移较小。

1.4.2 应 力

混凝土应力计算成果大部分整理为整体直角坐标系下的应力分量，且约定拉应力为正值，压应力为负值，应力单位为MPa。σx为顺水流水平X向正应力，σy为横水流向Y向正应力，σz为竖直Z向正应力，σ1为第一主应力。

（1）底板应力。各计算工况下，结构底板应力峰值详见表6。

表6 结构底板应力峰值 MPa

（2）流道边墙及闸墩应力。各计算工况下，流道边墙及闸墩应力峰值详见表7。

表7 流道边墙及闸墩应力峰值 MPa

（3）阻抗板应力。各计算工况下，阻抗板应力峰值详见表8。

表8 阻抗板应力峰值 MPa

（4）门槽应力。各计算工况下，门槽应力峰值详见表9。

表9 门槽应力峰值 MPa

（5）上室边墙应力。各计算工况下，上室边墙应力峰值详见表10。

表10 上室边墙应力峰值 MPa

由分析成果可知，底板应力主要由内水压力控制。应力峰值均发生在底板与流道边墙相交处，最大值为1.33 MPa；下室流道边墙及闸墩，从结构整体来看主要受竖向拉应力作用，也发生在边墙与阻抗板相交部位，最大拉应力峰值为1.44 MPa；门槽部位主要受闸门水推力作用，因此最大拉应力发生在尾水连接管检修工况，应力峰值为1.63 MPa；结构上室部分，拉应力主要发生在与阻抗板相交部位，但应力梯度较大，在离阻抗板顶部4 m以上范围，应力基本在混凝土强度范围内。

阻抗板为调压室结构关键部位，此结构关系到整个系统的水力条件，但阻抗板也是整个结构中刚度最小、变形及应力最大的部位。在静力工况下，其主要受自重及水压差作用，在闸墩相交部位由于结构几何突变，存在应力集中现象，最大拉应力达3.67 MPa。

通过以上应力计算成果可以看出：结构应力总体较小；局部应力较大，但分布范围较小、应力梯度大。绝大部分拉应力均未超过混凝土结构抗拉强度设计值。

2 结构配筋

根据前文计算的各部位应力分布情况，整理计算出调压室结构各部位建议配筋值，其配筋总结详见表11。

表11 结构配筋情况 mm2

3 结 论

本文计算的尾水系统采用“两机一室一洞”的布置格局，尾水调压室为阻抗长廊式，两机在调压室内交汇，尾水闸门设置在调压室内，其混凝土衬砌、闸墩、阻抗板等构成较复杂的超静定结构体系，特别是阻抗隔板为大跨度的异形结构，为了解调压室上述部位结构的应力及变形情况，为结构及配筋提供依据，确保调压室结构安全，有必要进行尾水调压室衬砌结构的三维有限元计算分析。

通过计算得知，结构整体应力位移均较小，分布符合一般规律。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，可以对类似工程提供一定的参考价值。