塘口水电站厂房有限元应力分析

何练民+沈建玲

摘 要：塘口水电站新增装机10MW，为了准确进行施工图设计，保证工程安全前提下尽量节约投资，进行有限元应力分析，为施工图设计提供依据。

关键词：电站厂房；有限元

1.工程概况

塘口水电站位于湖北省来凤县漫水镇，距来凤县城35km，是酉水河上游干流目前已开发的第二级梯级电站。酉水流域地处鄂、湘、川三省边界处，是洞庭湖水系沅水下游左岸的一大支流。酉水发源于湖北省宣恩县的城墙岩，源头呈溶洞、泉水及伏流状态，自罗谷川开始形成地表河道，自北向南纵贯来凤县境，从乐坪开始蜿蜒在鄂湘边界两侧，于湖南沅陵注入沅水。河流全长407km，流域面积18530km2，河床平均坡降1.1‰。本流域地处武陵山区，属新构造运动上升区，地面海拔高程一般在360～370m之间，区域内气候温和，雨量充沛，多年平均降雨量1580.1mm，多年平均径流深1076mm。

塘口水电站工程位于酉水河上游河段，坝址控制面积3124km2，是一座以发电为主的中型水利水电枢纽工程。主要建筑物由混凝土重力坝和厂房组成，水库总库容3960万m3，最大坝高37.60m，原电站装机15MW，3台机组，单机5MW，电站最大引用流量96.6m3/s，设计水头19.10m，原设计多年平均发电量8035万kW·h。本厂房为扩机增容工程，装机10MW，为左岸引水式电站。厂房结构形式为坝后式，其主要结构尺寸见图1-2 。

2.计算分析基本资料

本次只对厂房水下部分进行了五种工况下的静力计算，计算时未计入结构的动力响应。计算程序采用大型通用有限元软件Ansys9.0。

本次计算模型建立了高程374.43m以下（发电层）部分，其以上部分荷载采用等效荷载法施加至模型上。

（1）计算工况

根据设计资料，计算共考虑5种工况：

计算工况1：正常蓄水位：上游水位389.6m；下游水位367.40 m；

计算工况2：正常运转时突然三相短路。在工况1的基础上加扭矩205t*m；

计算工况3：50年一遇设计洪水位：上游水位391.61 m；下游水位384.16 m；

计算工况4：500年一遇校核洪水位：上游水位394.45 m；下游水位387.94m；

计算工况5：建成时上下游均无水。

（2）建模

本模型建模x方向为上下游方向；Y方向为模型高程方向；z方向为与坝轴线平行方向。模型全部采用实体单元，包括一次单元solid45和二次单元solid92。本模型共包含单元281490个，节点193730个，单元尺寸控制在0.6m左右。

（3）材料参数选取

根据设计资料，模型中共采用了3种材料，其计算参数取值如下表。

3.边界条件及荷载施加

（1）边界条件施加

根据设计资料，在所有工况下，边界约束条件为：模型底部约束Y方向；上下游约束x方向；与坝轴线平行方向约束z方向。

（2）荷载施加

计算工况1：正常蓄水位上游389.6；下游367.40。考虑内水压力、发电机下机盖部分则转换成面压力、定子基础荷载转换成面压力、高程374.43m以上墙体重量转换成面荷载、扬压力转换成面荷载、出水口水压力

计算工况2：正常运转时突然三相短路。考虑在定子基础处加扭矩205t*m。加载时，扭矩转换成两对大小相等，方向相反的力加到定子基础上，其余荷载同计算工况1。

计算工况3：50年一遇设计洪水位：上游水位391.61m； 下游水位384.16m。考虑内水压力计算、发电机下机盖部分、定子基础荷载、高程374.43m以上墙体重量、防洪墙受下游水压力、扬压力。

计算工况4：500年一遇校核洪水位：上游水位394.45m，下游水位387.94m。考虑防洪墙受下游水压力，其余荷载同计算工况3。

计算工况5：建成时上下游均无水，考虑结构重力效应。

4.计算结果

五种工况下计算结果见下表

5.工况4拉应力等值线图

对照计算结果，列出工况4等值线图。

（1）控制截面如下图所示

（2）图号说明：

图号2-SZ-Y1-1表示：工况2作用下Y1剖面的Z方向应力等值线图第1张。

（3）等值线图：

X方向应力等值线图：X方向最大拉应力为1.15Mpa，最大压应力为2.87Mpa。截取通过最大应力点的三个方向的剖面，其应力等值线图如图5-图10所示。

Y方向应力等值线图：Y方向最大拉应力为2.81Mpa，最大压应力为3.01Mpa。截取通过最大应力点的三个方向的剖面，其应力等值线图如图11-图15所示。

Z方向应力等值线图：Z方向最大拉应力为1.06Mpa，最大压应力为1.85Mpa。截取通过最大应力点的三个方向的剖面，其应力等值线图如图16-图20所示。

6.结果分析

（1）在五种工况下，结构的应力最大值为：X方向1.18Mpa（工况1和工况2）；Y方向2.81Mpa（工况4）； Z方向1.45Mpa（工况2）。

（2）结构在五种工况下，X方向的应力基本相同，且最大应力发生的位置完全相同。这主要是因为该方向最大应力发生位置远离水压作用区，受水压影响可以忽略，其值的产生主要是重力的作用效应。

（3）计算结果表明，在工况1和工况2下，结构方向应力除Z方向略有不同外，其余基本一致，且应力最大位置发生在同一位置。所以可以把这两种工况合并为一种考虑。

（4）工况3和工况4均为校核水位，但比较得知结构在工况4时各方向应力均大于工况3对应的方向应力，因此本报告仅以工况4作计算结果分析，而不考虑工况3下的应力结果，对工况3的计算结果仅提供应力云图供设计参考。

（5）工况5为结构在自重作用下的效应，应力值很小且不控制设计。

（6）按照计算应力图形，作为配筋计算依据。

摘 要：塘口水电站新增装机10MW，为了准确进行施工图设计，保证工程安全前提下尽量节约投资，进行有限元应力分析，为施工图设计提供依据。

关键词：电站厂房；有限元

1.工程概况

塘口水电站位于湖北省来凤县漫水镇，距来凤县城35km，是酉水河上游干流目前已开发的第二级梯级电站。酉水流域地处鄂、湘、川三省边界处，是洞庭湖水系沅水下游左岸的一大支流。酉水发源于湖北省宣恩县的城墙岩，源头呈溶洞、泉水及伏流状态，自罗谷川开始形成地表河道，自北向南纵贯来凤县境，从乐坪开始蜿蜒在鄂湘边界两侧，于湖南沅陵注入沅水。河流全长407km，流域面积18530km2，河床平均坡降1.1‰。本流域地处武陵山区，属新构造运动上升区，地面海拔高程一般在360～370m之间，区域内气候温和，雨量充沛，多年平均降雨量1580.1mm，多年平均径流深1076mm。

塘口水电站工程位于酉水河上游河段，坝址控制面积3124km2，是一座以发电为主的中型水利水电枢纽工程。主要建筑物由混凝土重力坝和厂房组成，水库总库容3960万m3，最大坝高37.60m，原电站装机15MW，3台机组，单机5MW，电站最大引用流量96.6m3/s，设计水头19.10m，原设计多年平均发电量8035万kW·h。本厂房为扩机增容工程，装机10MW，为左岸引水式电站。厂房结构形式为坝后式，其主要结构尺寸见图1-2 。

2.计算分析基本资料

本次只对厂房水下部分进行了五种工况下的静力计算，计算时未计入结构的动力响应。计算程序采用大型通用有限元软件Ansys9.0。

本次计算模型建立了高程374.43m以下（发电层）部分，其以上部分荷载采用等效荷载法施加至模型上。

（1）计算工况

根据设计资料，计算共考虑5种工况：

计算工况1：正常蓄水位：上游水位389.6m；下游水位367.40 m；

计算工况2：正常运转时突然三相短路。在工况1的基础上加扭矩205t*m；

计算工况3：50年一遇设计洪水位：上游水位391.61 m；下游水位384.16 m；

计算工况4：500年一遇校核洪水位：上游水位394.45 m；下游水位387.94m；

计算工况5：建成时上下游均无水。

（2）建模

本模型建模x方向为上下游方向；Y方向为模型高程方向；z方向为与坝轴线平行方向。模型全部采用实体单元，包括一次单元solid45和二次单元solid92。本模型共包含单元281490个，节点193730个，单元尺寸控制在0.6m左右。

（3）材料参数选取

根据设计资料，模型中共采用了3种材料，其计算参数取值如下表。

3.边界条件及荷载施加

（1）边界条件施加

根据设计资料，在所有工况下，边界约束条件为：模型底部约束Y方向；上下游约束x方向；与坝轴线平行方向约束z方向。

（2）荷载施加

计算工况1：正常蓄水位上游389.6；下游367.40。考虑内水压力、发电机下机盖部分则转换成面压力、定子基础荷载转换成面压力、高程374.43m以上墙体重量转换成面荷载、扬压力转换成面荷载、出水口水压力

计算工况2：正常运转时突然三相短路。考虑在定子基础处加扭矩205t*m。加载时，扭矩转换成两对大小相等，方向相反的力加到定子基础上，其余荷载同计算工况1。

计算工况3：50年一遇设计洪水位：上游水位391.61m； 下游水位384.16m。考虑内水压力计算、发电机下机盖部分、定子基础荷载、高程374.43m以上墙体重量、防洪墙受下游水压力、扬压力。

计算工况4：500年一遇校核洪水位：上游水位394.45m，下游水位387.94m。考虑防洪墙受下游水压力，其余荷载同计算工况3。

计算工况5：建成时上下游均无水，考虑结构重力效应。

4.计算结果

五种工况下计算结果见下表

5.工况4拉应力等值线图

对照计算结果，列出工况4等值线图。

（1）控制截面如下图所示

（2）图号说明：

图号2-SZ-Y1-1表示：工况2作用下Y1剖面的Z方向应力等值线图第1张。

（3）等值线图：

X方向应力等值线图：X方向最大拉应力为1.15Mpa，最大压应力为2.87Mpa。截取通过最大应力点的三个方向的剖面，其应力等值线图如图5-图10所示。

Y方向应力等值线图：Y方向最大拉应力为2.81Mpa，最大压应力为3.01Mpa。截取通过最大应力点的三个方向的剖面，其应力等值线图如图11-图15所示。

Z方向应力等值线图：Z方向最大拉应力为1.06Mpa，最大压应力为1.85Mpa。截取通过最大应力点的三个方向的剖面，其应力等值线图如图16-图20所示。

6.结果分析

（1）在五种工况下，结构的应力最大值为：X方向1.18Mpa（工况1和工况2）；Y方向2.81Mpa（工况4）； Z方向1.45Mpa（工况2）。

（2）结构在五种工况下，X方向的应力基本相同，且最大应力发生的位置完全相同。这主要是因为该方向最大应力发生位置远离水压作用区，受水压影响可以忽略，其值的产生主要是重力的作用效应。

（3）计算结果表明，在工况1和工况2下，结构方向应力除Z方向略有不同外，其余基本一致，且应力最大位置发生在同一位置。所以可以把这两种工况合并为一种考虑。

（4）工况3和工况4均为校核水位，但比较得知结构在工况4时各方向应力均大于工况3对应的方向应力，因此本报告仅以工况4作计算结果分析，而不考虑工况3下的应力结果，对工况3的计算结果仅提供应力云图供设计参考。

（5）工况5为结构在自重作用下的效应，应力值很小且不控制设计。

（6）按照计算应力图形，作为配筋计算依据。

摘 要：塘口水电站新增装机10MW，为了准确进行施工图设计，保证工程安全前提下尽量节约投资，进行有限元应力分析，为施工图设计提供依据。

关键词：电站厂房；有限元

1.工程概况

塘口水电站位于湖北省来凤县漫水镇，距来凤县城35km，是酉水河上游干流目前已开发的第二级梯级电站。酉水流域地处鄂、湘、川三省边界处，是洞庭湖水系沅水下游左岸的一大支流。酉水发源于湖北省宣恩县的城墙岩，源头呈溶洞、泉水及伏流状态，自罗谷川开始形成地表河道，自北向南纵贯来凤县境，从乐坪开始蜿蜒在鄂湘边界两侧，于湖南沅陵注入沅水。河流全长407km，流域面积18530km2，河床平均坡降1.1‰。本流域地处武陵山区，属新构造运动上升区，地面海拔高程一般在360～370m之间，区域内气候温和，雨量充沛，多年平均降雨量1580.1mm，多年平均径流深1076mm。

塘口水电站工程位于酉水河上游河段，坝址控制面积3124km2，是一座以发电为主的中型水利水电枢纽工程。主要建筑物由混凝土重力坝和厂房组成，水库总库容3960万m3，最大坝高37.60m，原电站装机15MW，3台机组，单机5MW，电站最大引用流量96.6m3/s，设计水头19.10m，原设计多年平均发电量8035万kW·h。本厂房为扩机增容工程，装机10MW，为左岸引水式电站。厂房结构形式为坝后式，其主要结构尺寸见图1-2 。

2.计算分析基本资料

本次只对厂房水下部分进行了五种工况下的静力计算，计算时未计入结构的动力响应。计算程序采用大型通用有限元软件Ansys9.0。

本次计算模型建立了高程374.43m以下（发电层）部分，其以上部分荷载采用等效荷载法施加至模型上。

（1）计算工况

根据设计资料，计算共考虑5种工况：

计算工况1：正常蓄水位：上游水位389.6m；下游水位367.40 m；

计算工况2：正常运转时突然三相短路。在工况1的基础上加扭矩205t*m；

计算工况3：50年一遇设计洪水位：上游水位391.61 m；下游水位384.16 m；

计算工况4：500年一遇校核洪水位：上游水位394.45 m；下游水位387.94m；

计算工况5：建成时上下游均无水。

（2）建模

本模型建模x方向为上下游方向；Y方向为模型高程方向；z方向为与坝轴线平行方向。模型全部采用实体单元，包括一次单元solid45和二次单元solid92。本模型共包含单元281490个，节点193730个，单元尺寸控制在0.6m左右。

（3）材料参数选取

根据设计资料，模型中共采用了3种材料，其计算参数取值如下表。

3.边界条件及荷载施加

（1）边界条件施加

根据设计资料，在所有工况下，边界约束条件为：模型底部约束Y方向；上下游约束x方向；与坝轴线平行方向约束z方向。

（2）荷载施加

计算工况1：正常蓄水位上游389.6；下游367.40。考虑内水压力、发电机下机盖部分则转换成面压力、定子基础荷载转换成面压力、高程374.43m以上墙体重量转换成面荷载、扬压力转换成面荷载、出水口水压力

计算工况2：正常运转时突然三相短路。考虑在定子基础处加扭矩205t*m。加载时，扭矩转换成两对大小相等，方向相反的力加到定子基础上，其余荷载同计算工况1。

计算工况3：50年一遇设计洪水位：上游水位391.61m； 下游水位384.16m。考虑内水压力计算、发电机下机盖部分、定子基础荷载、高程374.43m以上墙体重量、防洪墙受下游水压力、扬压力。

计算工况4：500年一遇校核洪水位：上游水位394.45m，下游水位387.94m。考虑防洪墙受下游水压力，其余荷载同计算工况3。

计算工况5：建成时上下游均无水，考虑结构重力效应。

4.计算结果

五种工况下计算结果见下表

5.工况4拉应力等值线图

对照计算结果，列出工况4等值线图。

（1）控制截面如下图所示

（2）图号说明：

图号2-SZ-Y1-1表示：工况2作用下Y1剖面的Z方向应力等值线图第1张。

（3）等值线图：

X方向应力等值线图：X方向最大拉应力为1.15Mpa，最大压应力为2.87Mpa。截取通过最大应力点的三个方向的剖面，其应力等值线图如图5-图10所示。

Y方向应力等值线图：Y方向最大拉应力为2.81Mpa，最大压应力为3.01Mpa。截取通过最大应力点的三个方向的剖面，其应力等值线图如图11-图15所示。

Z方向应力等值线图：Z方向最大拉应力为1.06Mpa，最大压应力为1.85Mpa。截取通过最大应力点的三个方向的剖面，其应力等值线图如图16-图20所示。

6.结果分析

（1）在五种工况下，结构的应力最大值为：X方向1.18Mpa（工况1和工况2）；Y方向2.81Mpa（工况4）； Z方向1.45Mpa（工况2）。

（2）结构在五种工况下，X方向的应力基本相同，且最大应力发生的位置完全相同。这主要是因为该方向最大应力发生位置远离水压作用区，受水压影响可以忽略，其值的产生主要是重力的作用效应。

（3）计算结果表明，在工况1和工况2下，结构方向应力除Z方向略有不同外，其余基本一致，且应力最大位置发生在同一位置。所以可以把这两种工况合并为一种考虑。

（4）工况3和工况4均为校核水位，但比较得知结构在工况4时各方向应力均大于工况3对应的方向应力，因此本报告仅以工况4作计算结果分析，而不考虑工况3下的应力结果，对工况3的计算结果仅提供应力云图供设计参考。

（5）工况5为结构在自重作用下的效应，应力值很小且不控制设计。

（6）按照计算应力图形，作为配筋计算依据。