基于ANSYS Workbench的抽水蓄能电站调压室围岩与衬砌接触模拟研究

2020-09-28关李海许贵彬

水电与抽水蓄能 2020年4期

关李海，许贵彬，杨柳，王伟

（1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京市 100024；2.国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

0 引言

在抽水蓄能电站工程建设中，调压室[1]是较为常见的结构形式，也是抽水蓄能电站重要的结构之一。调压室通常设置在输水系统上方，主要具有以下功能：①由调压室自由水面（或气垫层）反射水击波，限制水击波进入压力引（尾）水道；②改善机组在负荷变化时的运行条件及供电质量，以满足机组调节保证的技术要求。鉴于调压室的功能属性，为有效反射水击波，调压室的井身相对较长，因此，调压室所承受的内外水压力也相对较大，需要对其进行结构计算。在结构计算时，为了使计算结果更加符合工程实际监测情况，在能够有效模拟调压室衬砌与围岩之间的接触方面显得尤为重要。随着诸多有限元软件的开发应用，为解决此类问题提供了较多的思路与方法。例如，张凌[2]利用FLAC3D软件，通过设定接触面来研究不同工况下围岩与衬砌间的接触状态及围岩与衬砌的应力、应变规律。张强勇[3]等通过建立有限元计算模型，运用荷载分级、变刚度迭代非线性有限元法，系统研究了有压隧洞衬砌与围岩之间的相互作用。侯德彪[4]针对隧道施工过程中的围岩稳定性问题，运用FLAC软件比较分析了未采用衬砌与采用衬砌加固两种工况下隧道围岩的应力分布与变形规律。姚右文[5]等采用ANSYS通用有限元软件建立整体模型，考虑围岩与外层衬砌、外层衬砌与内层钢板衬砌之间的接触，接触模型按点—点接触设置，接触单元分别采用Contac12与Contac52进行对比模拟分析。本文主要基于大型有限元软件ANSYS Workbench[6]模块，对某抽水蓄能电站引水调压室进行了结构分析，在结构分析过程中，对比了不同接触模拟方式对调压室应力水平的影响，为同类结构的三维有限元计算提供参考。

1 工程概况

某抽水蓄能电站属于一等大（1）型工程。水道系统由上库进出水口、引水事故闸门井、引水隧洞、引水调压室、高压管道、尾水事故闸门室、尾水调压室、尾水隧洞、下库进出水口等建筑物组成。为满足机组稳定运行要求，在引水隧洞末端设置一座带上室的阻抗式调压室，引水调压室上室为圆形，高度15m，内径18m，外径20m，底板高程1505m，顶板高程为1520m。竖井为圆形，内径10m，采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度0.8m，竖井顶高程1505m，底部隧洞顶高程1399.1m。调压室底部洞段中心线高程1395.6m，洞径7m，采用钢筋混凝土衬砌。调压室底部阻抗孔直径为4m。引水调压室平台高程为1520m，边坡开挖坡比1：1，调压室平台与上库道路相连。调压室正常蓄水位1505.000m，最高涌浪为1516.353m，调压室底部高程1399.900m，坐落在底部基岩与引水隧洞上方。调压室周围为Ⅲ（1）类围岩，围岩条件良好。调压室体型图如图1所示。

图1 调压室体型图（单位：mm）Figure 1 pressure regulating chamber figure （unit：mm）

2 调压室模型

2.1 计算模型

本次计算采用大型协同仿真软件ANSYS Workbench，该软件是ANSYS求解实际问题的新一代产品，该平台可以和AUTODESK绘图软件进行模型数据交换，大大提高了该软件的应用效果。同时，该平台在实现网格划分，求解及后处理方面相对简便，已在建筑、机械、航空等领域得到了广泛的应用。本次计算模型主要由调压室上室、井身、引水隧洞和围岩组成。调压室模型网格图如图2所示，为避免围岩尺寸范围对计算结果造成影响，围岩选取范围大于调压室三倍井身外径。对调压室上室、井身、引水隧洞以及围岩分别划分网格，网格主要为Hex Dominant（六面体主导单元划分）单元，该六面体单元为三维solid186单元，solid186单元是一个高阶三维20节点固体结构单元，具有二次位移模式，可以更好地模拟不规则网格，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。Solid186单元可以具有任意的空间各向异性，单元支持塑性，超弹性、蠕变、应力钢化、大变形和大应变能力，还可以采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑性材料和完全不可压缩超弹性材料。该模型总共包括节点287714个，单元69858个。

图2 调压室模型网格图Figure 2 grid diagram of voltage regulating chamber model

调压室围岩与衬砌计算参数见表1。

2.2 计算工况

根据DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》[7]对于承载能力极限状态需对持久工况、短暂工况及偶然工况分别进行设计。对于正常使用极限状态需按持久状况进行设计，以最不利荷载组合作为计算工况荷载条件进行计算。分析调压室的受力情况及工况组合，结合相关工程经验，仅对承载能力极限状态下持久工况和短暂工况进行计算，持久工况仅考虑内水压力，短暂工况仅考虑外水压力。由于该调压室位于地下，不再考虑地震作用对于结构的影响。

2.3 计算荷载

调压室正常蓄水位1505.000m，最高涌浪为1516.353m，调压室底部高程1399.900m，承载能力极限状态下，静水压力、动水压力、衬砌自重的作用分项系数分别为1.0、1.1、1.1，根据工程经验，并参照DL/T 5195—2004 《水工隧洞设计规范》[8]附录H，短暂工况外水压力取折减系数0.6。对于调压室所受各荷载标准值[9]，考虑设计工况系数及荷载分项系数后各工况的荷载设计值见表2。按照表2的荷载值施加到调压室的模型上，然后对该模型进行有限元计算。

表2 调压室持久工况与短暂工况荷载施加计算参数Table 2 surge condition and transient conditions lasting load calculation parameters

2.4 约束条件

根据以往结构计算经验以及实际工程情况，该调压室坐落在基岩与引水隧洞上方，调压室周围与底部均为岩石，顶部自由，因此调压室无须施加约束，只需在围岩的四周及底部施加固定约束即可满足计算边界条件。

3 有限元接触模拟分析

通常情况下，接触[10]是一种很普遍的非线性行为[11]，接触的表面包含以下特性：①不同物体的表面不会渗透；②可传递法向压缩力和切向摩擦力；③通常不传递法向拉伸力，可自由分离和互相移动。ANSYS Workbench中有5种不同的接触类型，分为线性接触和非线性接触，其中线性接触有两种，分别为绑定（Bonded）、不分离（No Separation）；非线性接触有三种，分别为光滑无摩擦（Frictionless）、粗糙（Rough）和摩擦（Frictional）。利用线性接触类型进行结构计算时，程序迭代次数只需一次，利用非线性接触类型进行结构计算时，程序迭代次数需要多次。在非线性接触计算时，允许接触面之间有间隙，因此可以有效模拟围岩与衬砌之间的缝隙。

3.1 内水荷载模拟

调压室在正常运行时，主要承受静水压力和动水压力。在内水荷载作用下，调压室衬砌处于受拉状态，本次模拟围岩与衬砌的接触时采取线性绑定接触和非线性粗糙接触。两种模拟方式的应力位移云图如图3所示。

图3 内水荷载作用下应力位移云图Figure 3 Stress displacement nephogram under internal water load

图4 外水荷载作用下应力位移云图Figure 4 Stress displacement nephogram under external water load

在内水荷载作用下，调压室衬砌处于受拉状态。从调压室的应力位移云图可知：在两种围岩与衬砌接触模拟状态下，非线性粗糙接触模拟所得应力位移计算结果较线性绑定接触模拟计算结果大，线性绑定接触模拟所得最大拉应力为7.39MPa，非线性粗糙接触模拟所得最大拉应力为14.02MPa；线性绑定接触模拟所得最大位移为0.81mm，非线性粗糙接触模拟所得最大位移为1.59mm。从两种接触模拟所得应力位移云图分布情况来看，线性绑定接触模拟所得应力位移云图分布较为均匀，基本呈现线性变化趋势，最大拉应力出现在调压室井身阻抗板处，最大位移出现在调压室井身底部；非线性粗糙接触模拟所得应力位移云图分布相对杂乱，总体分布趋势沿调压室井身往下逐渐增大，但在井身环向分布无规律可循。

3.2 外水荷载模拟

调压室在检修工况时，主要承受地下水压力（即外水压力），调压室衬砌处于受压状态。本次模拟围岩与衬砌的接触时采取线性绑定接触和非线性粗糙接触。两种模拟方式的应力位移云图如图4所示。

在外水荷载作用下，调压室衬砌处于受压状态。从调压室的应力位移云图可知：在两种围岩与衬砌接触模拟状态下，非线性粗糙接触模拟所得应力位移计算结果较线性绑定接触模拟计算结果大，线性绑定接触模拟所得最大拉应力为4.19MPa，最大压应力为0.65MPa；非线性粗糙接触模拟所得最大拉应力为10.53MPa，最大压应力为6.31MPa；线性绑定接触模拟所得最大位移为0.55mm，非线性粗糙接触模拟所得最大位移为1.6mm。从两种接触模拟所得应力位移云图分布情况来看，线性绑定接触模拟的应力位移云图分布较为均匀，基本呈现线性变化趋势，最大压应力出现在调压室井身与阻抗板连接处，在井身底部位置亦出现了小范围的应力集中区，调压室井身底部最大位移为0.35mm，方向朝向调压室衬砌内部，顶部最大位移0.55mm，方向朝向调压室衬砌外部。非线性粗糙接触模拟的应力位移云图分布相对杂乱，总体分布趋势沿调压室井身往下逐渐增大，应力位移云图在井身环向分布亦无规律可循。