某水电站溢洪道堰闸段抗震分析

2020-04-30韩鹏辉

陕西水利 2020年2期

关键词：牛腿溢洪道振型

张浩，韩鹏辉

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065）

1 工程概况

某水电站位于黄河上游干流上，总库容16.22 亿m3,电站装机容量为2200 MW，属一等大（1）型工程。枢纽建筑物由混凝土面板堆石坝、右岸溢洪道、泄洪洞及地下厂房组成。

泄水建筑物由右岸3 孔溢洪道和右岸1 条泄洪放空洞组成。泄水建筑物按1 级建筑物设计，设计洪水1000 年一遇（相应洪水流量5760 m3/s），校核洪水为PMF（相应洪水流量8530 m3/s）。

3 孔开敞式溢洪道利用右岸平台地形紧靠面板坝布置，由引渠段、堰闸段、泄槽段、鼻坎段组成，总长约560 m，泄槽段轴线方位为EW272°。溢流堰坐落在微风化岩石上，建基面高程3238.0 m；堰闸段沿水流方向长50.0 m，单孔净宽11 m，堰顶高程3258.0 m；上游堰头为二圆弧曲线，堰面曲线采用WES 线，WES 曲线与1∶1.2 的斜坡相接，斜坡与半径R＝30.0 m、夹角39.23°的圆弧相切，圆弧与泄槽斜坡以i=0.01 坡度相切连接。孔口尺寸11 m×17 m，堰上设计水头17 m；闸室顶高程3283.0 m，闸室设事故检修门和弧形工作门各一道。检修门启闭设备为2×800 kN/320 kN 溢洪道坝顶门机，工作门启闭设备为2×2500 kN 液压启闭机。

根据《水工建筑物抗震设计规范》（DL 5073-2000）的规定，本工程溢洪道堰闸段为壅水建筑物，抗震设防类别为甲类；工程坝址区基本烈度为Ⅶ度，设防烈度Ⅷ度，场地类别为Ⅰ类。

2 计算方法及模型

计算采用ANSYS 14.5 有限元结构分析软件。上部结构、基础和地基均利用六面体块单元离散。溢洪道堰闸段中墩有限元网格划分见图1，单元数：84034；节点数：94487。在建立有限元模型时，溢洪道堰闸段计算基础深度取1 倍闸墩高度（45 m），上、下游基础长度分别取堰闸段顺水流长度的1 倍（各取50 m），左右两侧基础长度分别取单孔堰闸段宽度的1 倍（16 m）。

对溢洪道堰闸段进行地震反应分析时,分别沿两个水平主轴方向输入地震动,即顺水流方向和垂直水流方向,并同时考虑竖向地震的影响。采用振型分解反应谱法计算地震反应，阻尼比采用常阻尼比0.05，参与振型取前30 阶，采用CQC 法进行各振型的地震作用组合。

本工程地震作用分析考虑顺水流和垂直水流两个水平方向和竖向地震作用效应。竖向地震作用峰值加速度取水平向的2/3，其与水平向地震作用的耦合系数为0.5。

图1 溢洪道堰闸段中墩有限元网格划分

3 计算工况与荷载组合

本次计算选取了正常蓄水、地震2 个典型计算工况。正常蓄水工况，两侧弧门挡水；正常蓄水+地震，两侧弧门挡水，遭遇地震。正常蓄水位为3275.00 m，荷载组合表见表1。

表1 荷载组合表

4 溢洪道堰闸段自振特性分析结果

表2 列出了溢洪道堰闸段中墩干、湿模态前6 阶自振频率及振型描述。中墩湿模态前6 阶振型见图2。实际计算了中墩前50 阶自振频率和振型，高阶频率和振型对结构动力特性影响不大，不再一一列出。

图2 中墩湿模态前六阶振型图

表2 溢洪道堰闸段中墩自振特性表

由表2 可知，湿模态自振频率较干模态稍有减小，说明水体附加质量对闸墩的自振特性有影响，但影响不大。湿模态相应的质量因附加质量的计入而变大，但刚度保持不变，所以自振频率稍有下降，这是符合规律的。中墩第一阶振型以垂直水流方向振动为主，第二阶振型以垂直水流方向二阶振动为主。中墩第一阶频率达到2.18 Hz，说明侧向刚度是比较大的。以后各阶振型主要是侧向和扭转振动，其次是顺水流向振动，也有整体竖向振动振型。

5 计算结果分析

5.1 正常蓄水工况下的局部应力分析

在堰闸段中墩选取了7 个典型剖面作为分析对象，见图3。

图3 中墩各剖面位置示意图

溢洪道正常蓄水工况下的局部应力云图见图4、图5，局部应力统计表见表3，由表3 可知，剖面1 最大拉应力有0.20 MPa，发生在闸墩底板下部边缘。剖面2 在闸墩底板下部边缘有最大0.21 MPa 的拉应力。剖面3 最大拉应力只有0.09 MPa。剖面4在牛腿前附近区域有0.43 MPa 的拉应力，主要由作用在牛腿上的弧形门支铰推力造成，范围不大，左右对称。剖面5 拉应力数值不大，只有0.02 MPa，发生在底板上部边缘。剖面6 最大拉应力0.18 MPa。剖面7 全部承受压应力。从剖面6 可以看出，牛腿前附近范围内的竖向应力和侧向应力均数值不大，可见，该部位主要是顺水流向拉应力较大。

表3 正常蓄水工况下的局部应力

图4 中墩截面1 正应力（σx）分布图（正常蓄水位1 工况，单位：MPa）

图5 中墩截面2 正应力（σx）分布图（正常蓄水位1 工况，单位：MPa）

5.2 设计地震工况局部应力分析

溢洪道设计地震工况下的局部应力云图见图6、图7，局部应力统计表见表4。从表4 中可以看出，剖面1 最大拉应力有1.12 MPa，发生在闸墩上游堰面起坡处。剖面2 在闸墩侧墙外侧下部有最大0.64 MPa 的拉应力，左右对称。剖面3 在闸墩侧墙外侧靠近底板的部位有范围不大的1.09 MPa 左右的拉应力。剖面4 在牛腿前附近区域有0.65 MPa 的拉应力，主要由作用在牛腿上的弧形门支铰推力造成，范围不大，左右对称。剖面5 在底板顶部有0.09 MPa 的拉应力。剖面6 在检修门槽上、下游有0.86 MPa 的竖向拉应力。剖面7 在检修门槽靠近底板附近有3.77 MPa 的竖向拉应力。

从剖面6 可以看出，牛腿前附近范围内的竖向应力和侧向应力均数值不大，可见，该部位主要是顺水流向拉应力较大。此外，从剖面7 可以看出，在设计地震工况，检修门槽靠近底板附近有数值较大的竖向拉应力，造成该处的最大主拉应力达到3.77 MPa，超出C30 混凝土的抗拉强度设计值（为1.43 MPa），作用范围不大。