基于反应谱和时程法的深孔放空洞进水塔三维有限元动力分析

□ 吴建兴 □ 韩俊岭

（1河南天禹水利工程建设有限责任公司 2河南五建建设集团有限公司）

1 工程概况

某水电站位于雅砻江干流上，以发电为主，并具有蓄水蓄能、分担长江中下游防洪任务、改善长江航道枯水期航运条件的功能和作用。电站采用坝式开发，坝型为砾石土心墙堆石坝，最大坝高达305m，居世界同类坝型前列。

放空洞和后期导流洞结合，布置于河道左岸砂板岩体内，洞线顺直。放空洞由进口、无压隧洞段、出口挑坎段等组成。放空洞进水塔底高程为2745m，建基面高程为2739m，塔顶高程为2875m，进水塔塔体尺寸为55m×24m×136m（长×宽×高），基础置于Ⅲ2类岩体上面。进水塔内设事故检修闸门二道，工作闸门一道，事故检修闸门尺寸为7m×13m（宽×高）,工作闸门尺寸为7m×11.50m（宽×高）。隧洞为无压明流洞，长度约1355m，断面形式为圆拱直墙型，底宽10m，高约14m，出口采用挑流消能。

本工程地震基本烈度为Ⅶ度，深孔放空洞进水塔体高度为136m，对于这样的高烈度地震区的高塔体结构，仅依靠简单的结构力学计算无法准确地描述出塔体内部的应力及位移的分布情况。因此，有必要对该水电站深孔放空洞进水塔体结构进行三维有限元动力分析研究，以评价进水塔体结构的抗震安全性，推荐抗震安全的结构措施，探讨优化塔体体型的可能性，使进水塔体达到技术可行、结构安全、经济指标最优。放空洞动力计算分别采用振型分解反应谱法和时程分析法。

2 有限元模型

有限元计算模型包括进水塔塔身整体结构以及相应的岩石基础。塔体和基岩均按照六/五面体8/6节点三维实体单元离散，按照真实设计尺寸建立有限元模型；考虑基岩各地层风化条件、施工开挖的强弱卸载条件影响。网格剖分注意混凝土结构的受力特点，在喇叭口顶板、底板、检修门井、工作门井周边、工作弧门支座、渐变段、建基面等孔洞周边和截面发生突变的部位适当加密。

放空洞进水塔塔身混凝土结构有限元单元剖分计算模型见图1。

图1 有限元模型材料分区图

3 振型分解反应谱法计算结果

进水塔地震动力响应应力分析考虑100年超越概率2%设计地震动反应谱设防等级。采用振型分解反应谱方法进行有限元分析。

由计算成果可知，水平顺河向与垂直地震联合作用的工况，动力响应以激励方向即水平顺河向与垂直向为主，拉应力以竖向正应力σy为主，最大值发生在塔背与塔背回填混凝土接触处（约2820.00m高程），水平顺河向拉应力σx峰值也出现在该处。但是它们的影响范围均比较小，衰减很快。水平横河向拉应力σz峰值发生在流道周边等，为几何突变处的应力集中现象。

水平横河向与垂直地震联合作用的工况，动力响应也以激励方向即水平横河向与垂直向为主，拉应力以垂直向正应力σy为主，最大值发生在塔体与塔身左侧回填混凝土相接触的地方（约2805.00m高程）。但其影响范围较小，衰减很快。在塔体左侧2795～2805m高程，水平横河向正应力σz与顺河向正应力σx也出现了比较大的拉应力值。但水平横河向拉应力峰值出现在工作弧门闸室支撑与边墙相连接的几何突变处，为应力集中现象。

4 时程法计算结果

进水塔在地震作用下其重要部位的应力动力响应峰值及发生的时间见表1。

表1 地震激励下进水塔重要部位应力峰值表

从计算结果可知:动力时程分析的应力成果基本规律与反应谱的成果基本一致。水平顺河向正应力σx与竖向正应力σy的高应力区主要分布在塔背和两侧边墙，特别是回填混凝土与塔身接触的部位，拉应力峰值一般出现在这些地方。且竖向正应力σy的高拉应力区域较大。水平横河向正应力σz的高拉应力区主要分布在喇叭口上唇和流道底板的前端，其余部位，σz一般不超过0.50MPa。底板竖向正应力σy的值一般不超过0.50MPa，峰值出现在前端边墙与底板相贯处，为几何突变处的应力集中现象，衰减较快，高拉应力值分布的范围很小。建基面岩石上未出现竖向的拉应力。

5 结论

利用反应谱方法进行动力响应分析时，塔体背部与回填混凝土接触的部位出现了比较高的顺河向及竖向拉应力值。高拉应力值与线性材料模型的假定有关。高应力区主要分布在塔背回填混凝土接触部位、门槽、喇叭口上唇、流道周边表面以及弧门支座处。这些部位局部需要加强配筋。

由于反应谱方法是按最大地震作用计算结构的地震反应，得到的应力值偏大且均为正值，导致与静力计算的结果叠加以后建基面岩石局部出现微拉应力值。动力时程分析可以克服这个缺陷，时程分析中建基面岩石上未出现拉应力。

建基面岩石压应力较小，压应力峰值不超过0.50MPa，对塔体的基础承载力有益。地震激励作用下动力响应有明显的局部性，塔体结构关键部位如:塔背、喇叭口上唇、弧门支座以及闸室边墙的拉应力峰值相对较高，是抗震设防的主要部位。

[1]李付长.白龟山水库堤坝地震可液化地基的抗震处理[J].人民黄河,2010,32（7）:116-119.

[2]费康.ABAQUS软件在高进水塔动力分析中的应用[J].水利与建筑工程学报,2008,6（4）:10-12.

[3]姜燕,乐金朝.动水动土共同作用下重力坝的地震响应分析[J].人民黄河,2010,32（2）:105-108.