某溢洪道堰闸段静力和抗震性能三维有限元分析

李亚军

(中国能源建设集团有限公司，北京 100029)

0 引言

根据水力设计要求，溢洪道堰闸段的闸墩墩头型式应满足过堰水流平顺的要求［1］，一般采用圆弧或其他曲线型式。针对这种不规则的结构形状，采用简化的材料力学法求解应力、位移的精度不能满足闸室设计要求，而三维有限元法可以求解结构形状和边界条件均复杂的力学问题［2］。本文针对某溢洪道堰闸段的实际工程，建立堰闸段结构的三维有限元模型，分析结构在最高运行水位下的静力作用［3］，并采用振型分解反应谱法分析顺水流向和横水流向两种地震作用效应［4，5］。本文的计算分析结果，为堰闸段的结构设计提供了依据，也可为类似工程提供参考。

1 工程概况

某水电站工程溢洪道堰闸段长50.00 m，堰上游宽81.45 m，下游宽72.00 m。堰顶高程 209.00 m，由 4孔 15.0 m(宽)×21.09 m(高)的设闸溢流堰组成。堰体上游坡度为1∶0.667，堰面曲线为Y=0.042 85X1.85。堰闸段纵向分缝位于每孔的中心线处，闸墩末端宽度为4.00 m，最宽处约6.50 m，闸墩采用预应力混凝土结构。堰闸段设弧形工作门和钢叠梁检修门，门库设在堰闸段左侧。堰闸段基础齿槽高程190.00 m，在齿槽内设帷幕灌浆检查排水廊道。闸墩顶设交通桥。

2 基本资料

2.1 计算模型

堰闸段模型按照设计图纸进行建模，坝体周边按实际设计体型考虑，构筑物基础面按设计开挖形状考虑。为了能正确反映坝体周边的应力分布规律，地基模型范围按下面标准选取［6］:堰闸段上游侧取1.5倍堰闸段高度，下游侧取2.0倍堰闸段高度，左右两侧和基础分别取1.0倍堰闸段高度。模型结构如图1所示。结构计算过程中，将地基和坝体作为连续体进行处理。模型均采用右手坐标系，坐标原点位于坝轴面、堰闸坝中心面、▽190.00 m高程水平截面的交点处。X轴正向指向顺水流方向，Y轴正向为竖直方向向上，Z轴正向指向横河流方向。

采用ANSYS空间六面体和四面体等参单元对整体结构进行了网格剖分。为提高构筑物与岩体接触面附近的计算精度，上部坝体结构与基岩接触部位的单元尺寸较小。堰闸段整体结构的总单元数为634 581个，节点数为267 006个。图2为整体结构网格剖分图。

2.2 计算工况及荷载

选取3个典型工况进行计算。工况1:结构在最高运行水位下的静力工况;工况2:地震工况，水平地震加速度方向为Z轴方向，ah=0.10g，竖直地震加速度 av=0.067g;g=9.81 m/s2;工况3:水平地震加速度方向为X轴方向，ah=0.10g，竖直地震加速度av=0.067g;g=9.81 m/s2。

工况1下的荷载考虑堰闸段自重、设备重、上游水压力、扬压力及预应力。工况2、工况3除考虑上述荷载外，还施加地震惯性力和地震动水压力。地震工况下，为反映堰闸坝整体结构拉应力作用区域及最大值，在动力计算结果与静力计算结果叠加过程中，采用正正叠加(即正的动力结果+静力结果)的方式。

依据水工建筑物抗震设计规范［7］，设计反应谱采用标准反应谱，Ⅰ类场地的特征周期Tg=0.2 s，设计反应谱最大代表值βmax=2.25，下限代表值βmin取最大代表值的20%，βT—T的曲线按规范选取。

2.3 材料属性

混凝土静态物理及力学参数见表1。考虑堰闸段混凝土体积较大，含筋量低，动力分析时，混凝土动态强度和动态弹性模量的标准值较其静态标准值提高30%;动态抗拉强度的标准值取动态抗压强度标准值的10%［6］。

表1 混凝土静态物理及力学参数

基岩模型及物理参数按地质分层及钻探资料选取。

3 计算结果及分析

3.1 整体位移

堰闸段在不同工况下的整体位移见表2。由表2可以看出，X向位移最大值出现在工况3，最大值为1.87 mm;Y向位移最大值出现在工况1，最大值为2.64 mm;Z向位移最大值出现在工况2，最大值为3.34 mm。结构在工况1，工况2，工况3作用下的整体位移最大值分别为 2.89 mm，3.46 mm 和2.97 mm，均较小，满足规范要求。

表2 不同工况下的最大位移统计表 mm

3.2 门槽位移及分析

为全面反映门槽部位的变形，分别给出了与检修门槽和弧形门槽变形相关的两组数据，分别为:不同水平剖面闸门两侧门槽中心线的相对位移最大值ΔU1和门槽上下游两侧的相对位移最大值ΔU2。闸墩编号、门槽编号及相对位移说明图见图3，图4，相对位移统计表见表3。

表3 检修门槽、弧形门槽相对位移统计表 mm

计算结果表明，检修门槽ΔU1的最大值出现在工况2中编号为J7，J8的检修门槽处，其值为－1.50 mm;检修门槽ΔU2的最大值出现在工况1中编号为J5的检修门槽处，其值为0.05 mm。弧形门槽ΔU1的最大值出现在工况2中编号为H7，H8的弧形门槽处，其值为－1.57 mm;弧形门槽ΔU2的最大值出现在工况1中编号为H4的弧形门槽处，其值为0.025 mm。可以看出，各工况下门槽部位的相对位移均较小，不会影响闸门的正常启闭。

3.3 整体应力

工况1作用下，堰闸段第一主应力最大值σ1max为2.90 MPa，第三主应力最小值σ3min为－14.7 MPa;工况2作用下，堰闸段第一主应力最大值σ1max为2.92 MPa;工况3作用下，迎水面大部分区域的第一主应力为压应力，仅在左右挡水坝部分部位出现了主拉应力区;在弧形门下游部位，闸墩表面和溢流堰表面大部分区域为主拉应力区，但主拉应力均较小，基本不超过0.27 MPa。可以看出，3种工况下结构的整体拉应力均较小，辅以适当配筋，不会出现破坏性拉应力区。

3.4 闸墩侧面及根部应力

地震工况为闸墩侧面及根部设计的控制工况。

工况2作用下，中间闸墩D2的地震作用效应较为明显。中间闸墩D2表面存在较大的主拉应力区，其中，应力值相对较大的主拉应力区出现在锚固竖井及门槽部位，最大主拉应力出现在锚固竖井处，最大值为1.00 MPa。D2闸墩根部的主拉应力区分布较广，集中分布在弧形门槽部位，最大主拉应力为0.58 MPa。

工况3作用下，中间闸墩和边墩的主拉应力分布及主拉应力值基本相同。闸墩表面相对较大的主拉应力区出现在锚固竖井及牛腿连接处下游部位，但上述部位的第一主应力较小，基本不超过0.47 MPa。闸墩根部的主拉应力分布区较小，仅出现在弧形门槽和闸墩根部下游部位，且该部位大部分主拉应力小于0.08 MPa。

4 结语

1)在3种典型工况作用下，堰闸段各向位移均较小，整体位移最大值出现在工况2，最大值为3.46 mm。

2)在3种典型工况作用下，堰闸段的整体拉应力较小，在第一主应力集中区域辅以适当配筋，即可避免出现拉应力破坏区。

3)在地震工况作用下，闸墩侧面及根部的拉应力较小，按正常构造配筋即可满足要求。

4)在3种典型工况作用下，检修门槽和弧形门槽的两类相对位移均较小，不会影响闸门的正常启闭。

［1］DL/T 5166-2002，溢洪道设计规范［S］.

［2］Yuan·J.X.Identification of the Machine Tool Structural Parameters by Dynamic Data System(DDS)and Finite Element Method［D］.USA:University of Wisconsin-Madison，1983.

［3］崔建伟，管新建，孙小兵.堰闸坝结构的三维有限元静力分析［J］.东北水利水电，2005，23(249):1-2，59.

［4］孙小兵，李新明.塔式进水口抗震性能研究［J］.中国农村水利水电，2010(3):87-90.

［5］郭凤妍，乐金朝.堰闸坝结构的抗震性能分析［J］.南水北调与水利科技，2011，9(1):43-46.

［6］陈玉华，孙小兵，陈 晶.堰闸坝有限元静力分析中地基模型的尺寸效应［J］.山西建筑，2009，35(33):367-368.

［7］DL 5073-2000，水工建筑物抗震设计规范［S］.