Phase2在岸塔式进水口整体稳定计算中的应用

吕东海 冯 华

（西北勘测设计研究院有限公司 陕西 西安 710065）

1 引言

岸塔式进水口由于对地形地质条件适应性较广，在我国已建的水电站中得到了广泛的应用，特别是引水式水电站。岸塔式进水口顺水流方向的整体稳定，不同于重力坝和重力式挡墙靠自重维持稳定。岸塔式进水口正向承受水平荷载，背靠岸坡岩体，靠自重和岸坡岩体支撑维持稳定，其整体稳定不像重力坝和挡土墙，有沿水平建基面滑动和绕趾点倾覆的可能，只要塔背和塔底建基面法向应力在岩体允许承载力范围之内，塔体就不会发生整体失稳。岸塔式进水口整体稳定计算普遍采用常规结构力学方法[1][2]。常规结构力学方法是将塔体视作刚体，在荷载作用下岩体受挤压变形产生抗力，假定抗力按线性规律分布，自下而上连续分布，通过力的平衡条件和转角相容条件列出方程组，然后求解方程组得到抗力值。此方法在每个工况计算时，首先要判断塔体的“转动趋势”，然后根据“转动趋势”选择计算公式，计算相对繁琐，费时费力，笔者尝试使用phase2二位弹塑性平面有限元分析软件进行岸塔式进水口整体稳定的计算，该软件便于一般工程设计人员操作使用，而且对计算机配置要求较低，因此，在实际应用过程中取得了较好的效果。

2 Phase2软件简介

Phase2软件是由加拿大Rocscience公司开发的一款易于使用、稳定可靠的二维岩土工程弹塑性有限元分析和设计软件。它被广泛应用于各类工程项目分析中，包括地表或地下开挖的支护设计、边坡稳定分析、地下水渗流分析以及概率分析等领域。它能够轻松、快速地完成复杂的、多工况步的模型的建模分析，诸如软岩或多节理岩体中的隧道、地下厂房洞室群、露天矿坑和边坡、坝体、土工合成材料加筋土结构稳定性等等，能够分析渐进破坏、土与结构相互作用及各种其它问题。

3 工程计算实例

3.1 工程概况

某电站为高坝大库长引水式电站，电站进水口布置在坝前右岸，为岸塔式进水口。水库正常蓄（设计洪）水位3240.00m，校核洪水位3241.00m，发电死水位为3220.00m，进水口底板高程为3211.00m，塔顶高程为3243.00m。顺水流方向长度为14m，垂直水流方向宽度为9.5m，进水口横剖面见图1。进水口建筑物级别为3级，地震抗震设防烈度为8°，基岩水平峰值加速度为0.2g。

3.2 材料参数选取

根据地质报告，进水口建基面基岩裸露，基础座落于弱风化块状～中厚层状凝灰岩上，建基面无深层滑动面，覆盖层和岩体主要物理力学参数见表1、表2，进水口塔体混凝土主要力学参数见表3。

3.3 计算假定

（1）模型计算采用摩尔—库伦准则；

（2）地层和材料的应力应变均在弹性范围内变化，应力场由自重自动生成；

（3）考虑空腔对塔体的影响作用，采用厚度折算的方法对混凝土容重进行折减；

（4）只研究塔底和塔背建基面上的应力和位移；

（5）塔底建基面上的扬压力按全水头考虑，塔背建基面上不考虑扬压力。

3.4 二维有限元模型建立

模型建立的原则是在各工况下不会波及模型边界，既可以保证数据可靠，又可以减少计算工作量。选取整个进水口为计算对象，进水口基础、后边坡、前沿延伸长度不小于5倍顺水流方向长度，即70m。进水口和地基单元划分采用三结点三角形单元，采用统一网格类型（见图2），共划分32261个三角单元，16340个节点。侧面和底面为位移边界，侧面限制水平位移，底面限制垂直位移，上边界为自由面，模型及边界条件见图3。为研究建基面上的应力和位移分布情况，采用节理模拟进水口塔底和塔背建基面。节理按一般节理考虑，节理没有厚度，节理只传递压应力，不承受拉应力，为了使节理不发生“侵入”和“重叠”现象[3]，假设法向刚度较大，节理参数设置见图4、图5。除完建工况外，其他各工况塔底扬压力采用节理特性中的附加应力模拟。

图1 某电站进水口横剖面图

表1 进水口覆盖层主要物理力学参数表

表2 进水口岩体主要物理力学参数表

表3 进水口塔体混凝土主要力学参数值表

表4 Phase2程序与常规结构力学方法法向应力计算结果对比表

3.5 计算结果及分析

采用应用较为广泛的摩尔—库伦准则，计算得到完建、正常运行、校核洪水位、检修及地震五个工况塔底和塔背建基面上法向应力、切向应力、法向位移及切向位移等一系列计算成果，见图6～图9。

图2 有限单元划分方式

图3 二维有限元模型

图4 节理（塔底建基面）参数设置

图5 节理（塔背建基面）参数设置

图6为各工况下塔底和塔背建基面上法向应力分布图。由图中应力分布数据可以看出，完建工况塔底建基面法向应力最大，且由上游到下游逐渐增大，塔背建基面法向应力基本为零，顶部局部有压应力，但数值很小，这是因为完建后进水塔重心偏下游，塔体有绕底板顺时针转动的趋势，其他各工况塔底建基面法向应力由上游到下游逐渐减小，塔背建基面法向应力由下部到上部逐渐增大，特别是地震工况增加幅度最大，这是由于受到水平力和扬压力作用后，塔体对塔背建基面的挤压作用更大。

图7为各工况下塔底和塔背建基面上切向应力分布图。由图中应力分布数据可以看出，各工况下塔底和塔背建基面切向应力均较小，只有完建工况塔背局部出现了最大48kPa剪切应力，说明岸塔式进水口在各种荷载作用下建基面上剪切应力不是主要的。

图8和图9为各工况下塔底和塔背建基面上法向和切向位移分布图，由图中位移分布数据可以看出，在各工况下塔底和塔背建基面上法向和切向位移均较小，完建工况下最大，位移值为0.006m。

图6 建基面各工况法向应力分布图

图7 建基面各工况切向应力分布图

图8 建基面各工况法向位移分布图

图9 建基面各工况切向位移分布图

从以上各工况塔底和塔背建基面上法向应力、切向应力、法向位移及切向位移等一系列计算成果可以看出，岸塔式进水口在各种荷载作用下，建基面上主要以法向应力为主，切向应力、法向位移和切向位移均较小，基本可以忽略不计。因此，对岸塔式进水口进行整体稳定计算时，只要建基面上的法向应力在岩体允许承载力范围之内，塔体就不会发生整体失稳。

4 二维有限元与常规结构力学计算结果对比

为了验证Phase2程序计算结果的可信性，笔者同时采用常规结构力学方法[1][2]对岸塔式进水口各工况下塔背和塔底建基面上法向应力进行了计算，并与Phase2程序计算结果进行了对比，对比结果见表4。

从以上计算结果可以看出，两种计算方法塔底和塔背建基面上法向应力分布趋势基本一致，塔底建基面上法向应力Phase2程序计算结果较常规结构力学方法偏大，而塔背建基面上法向应力Phase2程序计算结果较常规结构力学方法偏小。总体来看，两种方法的计算结果差别不大，建基面上法向应力的分布规律一致，说明采用Phase2程序的计算结果可信。

5 结论

通过采用Phase2程序对岸塔式进水口各工况下塔底和塔背建基面上法向应力、切向应力、法向位移、切向位移的计算，同时将塔底和塔背建基面上法向应力与常规结构力学方法所得结果进行对比，得出如下结论：

（1）采用Phase2程序所得计算结果，可以直观的看到塔底和塔背建基面上应力和位移的分布情况。

（2）岸塔式进水口在各种荷载作用下，塔底和塔背建基面上主要以法向应力为主，只要塔底和塔背建基面上的法向应力在岩体允许承载力范围之内，塔体就不会发生整体失稳。

（3）采用Phase2程序计算得出的塔底和塔背建基面上法向应力分布规律与常规结构力学方法一致，说明采用该程序进行岸塔式进水口整体稳定计算所得结果可信。

[1]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,1990.126-132.

[2]卞全.岸塔式进水口整体稳定计算方法的探讨[J].西北水电，2008，(5):11-14.

[3]徐志英.岩石力学[M].北京：水利电力出版社.1981.229-233.

[4]钟源清、秦湘.压力墙式进水塔的稳定分析和反力计算[M].西安：水利电力部西北勘测设计研究院.1986.

[5]DL/T5398-2007《水电站进水口设计规范》[S].