在L形地基上的官地水电站进水口塔体施工仿真分析

彭 玮，范书立，陈健云

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072;2.大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室工程抗震研究所，辽宁 大连 116024)

1 前 言

官地水电站共安装4台机组，装机容量4×600MW。电站进水塔布置在雅砻江右岸竹子坝沟下游，采用具有整体稳定性较好的岸塔式布置方式。进水塔基础为杏仁状玄武岩。塔基岩石总体坚硬，围岩类别多为Ⅲ类，Ⅳ类围岩次之，F2断层及其影响带通过2号进水塔。在地质条件不利于将喇叭口设在岸边岩体内时，采用岸塔式进水口具有整体稳定性好的特点［1］。官地进水口塔体坐落在L形地基上，自重等荷载由水平地基与竖向地基联合承载［2］，在使用有限元进行应力分析时，需考虑不同施工阶段边界条件的变化对结构的影响，自重的施加方式不同将直接影响计算结果。为了能够更加真实地反映这种影响进行了施工仿真分析。本文采用单元生死技术，依进水口塔体的施工进度逐层加载，保证基础与结构的变形协调，并考虑了施工过程中的沉降变化，计算出完建时的结构应力［3］。

2 计算方法

2.1 网格剖分

计算选取2号进水塔体进行分析。为消除地基约束对进水塔结构计算的影响，计算模型包括一定范围的地基，在顺水流方向地基总长270m，在垂直水流向地基总长430m，在竖向最厚部位厚260m，最薄部位87m。有限元模型详细地模拟了地基各种岩体、岩层分界面、地质构造，以及F1和F2断层。考虑地基、背部回填混凝土和山体作为耦联系统。整个有限元模型共划分为50301个单元，共有53286个节点，其中塔体部分共有37834个单元、39071个节点。计算直角坐标系为:顺水流向为x轴正向，竖直向上为y轴正向，垂直水流指向右岸为z轴正向。模型的底部和围岩的四周均按固定边界考虑，四周为法向约束，底部为三向全约束。计算模型见图1、2。

2.2 材料参数

混凝土材料:底板、拦污栅边墙及栅墩、胸墙、纵横撑、闸门槽污栅槽二期混凝土、进水塔身流道两侧5m范围混凝土均采用C25混凝土，塔身流道两侧5m范围外混凝土采用C20混凝土，基础置换混凝土采用C15混凝土，其弹性模量分别取为28GPa、25.5GPa、22GPa，泊松比取 0.167，密度为 2400kg/m3。

基础范围内四种岩体:从下至上分别是Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类岩石，变形模量分别取为 15GPa、8GPa、2GPa、1GPa，泊松比依次取为 0.225、0.275、0.325、0.35。两条断层穿过基础，弹性模量取0.5GPa，泊松比取0.35，岩石材料密度为2500kg/m3。

2.3 施工仿真技术

图1 2号进水塔三维有限元计算模型

图2 2号进水塔塔身与F2断层相连处示意

在施工过程中随着施工的进展，塔体自重将逐步施加在下部基础中，这样就不可避免地导致基础结构的变形与沉降。当浇筑某层混凝土到预定的控制高程时，沉降与施工同时进行，施工结束时控制高程上的沉降量将为0。由于混凝土在未凝固前呈流态，不能承受剪切荷载，自重主要由下部结构承担，当其凝固后与竖向地基连成一体。因此，对于L形地基上的进水塔，塔背山体不会对施工期塔体的沉降产生较大的影响。常规的有限元结分析方法都是以竣工后的整体结构作为分析对象，将自重一次性施加在结构上进行计算。这种计算方法忽略了施工过程对结构应力、应变的影响，其结果与实际情况往往有较大的差异，且竣工后的结果不能分析施工过程中结构各部位的应力和应变［4］。

作为一个通用的大型有限元软件，ANSYS提供了单元生死技术，可用于模拟施工过程。所谓的“单元生死”是在模型中加入或删除材料，使模型相应的单元处于“生”或“死”状态。被杀死单元的单元荷载等于0，不包括在载荷向量中。同样，被杀死单元的质量、阻尼等特性均等于0。被杀死单元的质量和能量不参加求解，单元的应变始终等于0。当死单元被重新激活时，其刚度、质量、单元载荷等都将恢复其原始真实取值［3］。

官地进水口塔体高43m，塔身属于大体积混凝土，在浇筑过程中由于受浇筑能力的限制，以及混凝土温控的影响，一般采用分层分块浇筑。本计算采用单元生死技术对施工过程进行仿真，将进水塔分为10层依次从下向上浇筑。计算时首先将塔体所有单元杀死，约束其自由度，其自由度上的荷载也赋予0，当浇筑到某层时再将其激活，并释放自由度。

图3 一次施加自重下的竖向位移(m)

3 结果分析

3.1 整体位移

图3、4为一次施加自重与分层加载情况下竖向整体位移图。从图3可以看出，位移从下向上逐渐增加，最大位移达到2.9cm，出现在塔体顶部。由于有竖向地基的约束，塔背的位移值小于纵撑的位移，塔体总体显示向库区倾斜变形，但这种变形与实际变形并不相符，表明一次施加自重的方法不能真实模拟实际变形。采用分层加载后，塔体的变形明显不同。从图4可以看出，塔顶变形最小，最大位移发生在塔身底部，约1.8mm，远小于采用一次施加自重得到的结果，表明采用单元生死模拟施工过程，塔体的变形与实际情况更为吻合。

3.2 塔背应力

图4 分层加载下的竖向位移(m)

图5、6为一次施加自重与分层加载情况下塔背最大主应力图。塔背一侧与地基连接处产生应力集中，应力最大。一次施加自重情况下最大拉应力达到了2.5MPa，施工仿真情况下最大拉应力仅为1.5MPa，应力水平后者明显小于前者，可见模拟方式不同将直接影响应力分布。在浇筑某层混凝土过程中，由于自重首先导致了沉降，塔体相对于竖向基础向下运动，塔身与竖向基础间产生剪切变形;由于流态混凝土不能承受剪力，实际中不会在塔背与地基连接处产生较大的应力。采用施工仿真技术分层加载，可以消除结构沉降引起的剪切变形影响，在上述部位的应力有明显的降低，与实际情况更吻合。

3.3 底板应力

图5 一次施加自重下的塔背最大主应力(MPa)

图6 分层加载下的塔背最大主应力(MPa)

图7、8为一次施加自重与分层加载情况下底板最大主应力图。由于塔背山体对塔体沉降的约束作用，在一次施加自重的情况下，塔体的自重并不完全由底板来承担，因此底板上压应力要比分层加载情况的压应力小。同样的原因，与一次施加自重相比，考虑分层加载后，在断层周围的拉应力区范围变大。

图7 一次施加自重下的底板最大主应力(MPa)

图8 分层加载下的底板最大主应力(MPa)

4 结 论

通过以上对比可以得出以下结论:

(1)对于坐落在L形地基上的进水塔，采用一次施加自重的方式不能真实地反映塔体应力，夸大了塔背山体对塔体变形的约束作用。

(2)一次性施加自重和分层多次逐步施加自重得到的塔体变形、应力差别很大。多次分层施加增加了底板承担自重的比例，使底板断层周围的拉应力区范围变大。因此，在用有限元进行进水口塔体的应力、变形分析时，需要考虑分层施工过程。

综上，在进水塔有限元结构分析中，采用施工仿真技术分层加载，可以很好地模拟塔体的施工过程，更真实地反映分层分块浇筑的实际情况及施工过程对结构应力、应变的影响，使塔体的变形和应力与实际情况更吻合，计算结果更合理、更真实。

［1］中国水电顾问集团西北勘测设计研究院.DL/T 5398－2007《水电站进水口设计规范》［S］.北京:中国电力出版社，2007.

［2］杨欣先，李彦硕.水电站进水口设计［M］.大连:大连理工大学出版社，1990.

［3］章惠冬.Ansys单元生死技术软件在结构设计及施工中的应用［J］.建筑施工，2008，30(9):824－833.

［4］李宗坤，何芳婵，王建有，等.基于ANSYS土石坝施工过程仿真分析［J］.人民黄河，2007，29(8):59 －60.