沙湾电站2#机度汛洪水过流封盖三维有限元计算分析

徐 骏 单智杰 喻桂成

（1.镇江市工程勘测设计研究院 江苏 镇江 212003；2.四川省水利水电勘测设计研究院 四川 成都 610072；3.江苏省水利勘测设计研究院有限公司 江苏 扬州 225127）

1 引言

沙湾水电站工程位于四川省乐山市境内，为大渡河干流下游梯级开发中的第一级，坝址位于大渡河沙湾区葫芦镇河段，距上游已建铜街子电站11.5km，距离乐山市城区44.5km。该工程的开发任务以发电为主，兼顾灌溉和航运功能。电站装机容量480MW，额定水头24.5 m，正常蓄水位432.0 m，设计引用流量2203.2m3/s，保证出力151MW，年利用小时数5015 h，年发电量24.07亿kW·h。总库容4867万m3，正常蓄水位以下库容4554万m3，坝轴线长699.82 m，为一级混合式（河床式厂房加长尾水渠）开发。

大渡河沙湾水电站主体工程分两期完成，一期包括右岸接头坝段、厂房储门槽坝段、厂房坝段、5孔冲沙闸，在一期围堰保护下全年施工。二期工程包括剩余5孔泄洪闸、左岸非溢流坝，在二期围堰保护下枯水期施工，二期围堰设计为汛期过流围堰，在汛期过流泄洪。在二期工程完成前利用二期围堰挡水发电，水库水位427.00 m，距离电站正常蓄水位432.00 m差5 m。在工程建设过程中，为确保汛期之前完成二期主体工程建设，须利用汛期前段进行二期永久防渗墙施工，因此要求在汛期尽量避免二期围堰过水或者减少二期围堰过水频次，因此论证在未安装转轮等部件的情况下对3#机组和2#机组导水机构进行局部封堵后利用机组流道泄洪过流。本次研究主要对2#机钢结构封盖建立三维有限元整体模型，并进行三维线弹性计算，分析不同汛期洪水过流工况下封盖的三维受力特点。

2 工况设计与基本计算参数

2.1 计算工况

沙湾水电站工程2#机度汛洪水过流封盖为典型的圆台型三维钢结构受力体系，为了深入研究设计中存在的一些技术问题，了解封盖各部位的应力分布状态，拟采用三维有限元法对封盖进行计算。选取封盖过流为汛期洪水，该工况下封盖内压水头25.21 m，无外压，封盖底部利用螺栓固定。

2.2 计算参数的选取

钢材重度：γ=7.85 t/m3

钢材泊松比：υ=0.3

钢材弹性模量：E=2.06×105MPa

重力加速度：g=9.81m/s2

3 计算方法与软件分析

本次计算采用国际上较为流行的大型通用有限元分析软件ANSYS。ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件，在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用，目前在水电行业应用也较为广泛。经其他工程计算验证，其精度可以满足行业的需要[4～6]。

ANSYS软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料，可进行结构分析（包括线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析以及多物理场的耦合分析[7～8]，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力，其计算分析功能十分强大，同时其方便易用且功能出众的前、后处理模块可节省大量时间。

4 计算模型及边界条件处理

为了计算封盖各部位应力分布，选取整个封盖为计算模型，实体模型见图1。整个模型剖分单元为四节点壳体单元，每个节点有UX、UY、UZ、ROT X、ROTY、ROTZ（X、Y、Z方向的平动位移；X、Y、Z方向的转动位移）六个自由度，剖分后的网格图见图2。计算模型应用的坐标系为：由于封盖为竖向轴对称结构，取对称轴为Z轴，向上为正；X、Y平面垂直Z轴，三个坐标轴符合右手螺旋法则，坐标示意图见图1所示。封盖底部固结，其余部位自由。

图1 封盖三维结构模型

图2 封盖网格剖分图

5 结果分析

为了更好地显示封盖上应力分布，并根据有限元计算得出的应力分布图验算结构尺寸是否合理，计算中采用整体坐标系提取应力图形，其中主拉应力（S1）为正，主压应力（S3）为负，单位为MPa。有限元计算的结果如下：

（1）封盖顶板顶面S1（主拉应力）、S3（主压应力）等值线图。

（2）封盖顶板底面S1（主拉应力）、S3（主压应力）等值线图。

表1 封盖主拉、压应力表

图3 封盖顶板顶面主拉应力S1等值线图

图4 封盖顶板顶面主压应力S3等值线图

图5 封盖顶板底面主拉应力S1等值线图

图6 封盖顶板底面主压应力S3等值线图

通过对沙湾水电站工程钢结构封盖进行三维有限元计算和对计算结果分析表明（如表1）：在汛期洪水过流工况下，封盖周围应力分布较为合理，都在材料允许应力以内，封盖最大拉、压应力都出现在封盖顶板与肋板焊缝处，最大拉应力为49.24 MPa，最大压应力为42.94 MPa。

可见，在三维应力状态下，封盖在汛期洪水过流工况下，封盖顶板中部和肋板焊缝连接处应力较大，但均未超出Q 235钢板以及焊接材料的允许应力，结构是安全的。

6 结论

论文应用ANSYS软件进行了钢结构封盖三维模型，并通过有限元分析对钢结构封盖的受力情况进行模拟计算。计算结果表明在汛期洪水过流情况下，封盖周围应力分布较为合理，其中封盖顶板中部和肋板焊缝连接处应力较大，但未超出材料允许应力，结构安全。该设计满足机组导水机构的度汛需要，也可作为类似设计工作的参考。

[1]中华人民共和国电力行业标准.《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077-1997）[S],中国电力出版社,1998.

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