拉拉山水电站进水塔三维动力有限元分析

柳树摇 李红 李桢

摘 要：进水塔结构复杂，在高地震烈度区表现为复杂的动力特性，塔体结构的稳定性直接关系到结构的安全性及设计的合理性。文章采用三维动力有限元的方法，通过在人工边界上输入实测地震波来模拟地震作用，得到了进水塔结构动位移和动应力响应，并基于有限元计算结果进行了进水塔稳定性分析。计算结果表明，拉拉山水电站进水塔在地震作用下是稳定的。

关键词：进水塔；有限元；动力分析

1 工程概况

拉拉山水电站位于甘孜州巴塘县境内，电站为引水式开发，该电站位于巴楚河中游河段上，工程河段上起松多，下止措松龙，河段长23.5km，天然落差225m。电站闸址位于松多乡松多村，正常蓄水位3004.00m，相应库容106万m3，电站装机容量96MW，具有日调节性能。电站进水塔紧靠排污闸布置于左岸，进口分水角为64°51'59"。进水口由喇叭口、拦污栅、进水闸组成，总长36.2m。

2 岩体及混凝土静、动力学参数

3 进水塔抗震分析及评价

3.1 计算方法及假定

利用ANSYS有限元分析程序建立三维有限元模型，地震作用采用时程分析法。本次分析计算中所利用的时间历程分析理论的基本假定有：（1）库水假定为不可压缩流体，因此库水对进水塔的动力作用即相当于附加质量。（2）地基为均匀体，并人为地截取一条边界作为地震输入边界。在计算中假定地震运动沿人工边界均匀输入。（3）假定人工边界范围以内的地基是“无质量地基”，在形成整个系统的特征矩阵时，地基单元只考虑弹性，不考虑质量，以消除波的传播效应，避免人为的放大作用。

3.2 地震波的选取

地震波是一个频带较宽的非平稳随机振动，受各种因素影响而变化，采用时程法对结构进行地震分析时，输入地震波不同，所得的地震反应相差较大，因此，合理选择地震波进行直接动力分析是保证计算可靠性的重要保证。

拉拉山水电站的场地类别属于III类，工程场地的地震基本烈度为Ⅷ度，进水塔未来50年超越概率为10%基岩地震动峰值加速度1.85m/s2，特征周期为0.4s，进水塔抗震分析计算中选择场地实测波进行计算，本次计算考虑水平向地震波。地震波正向峰值加速度1.60m/s2，负向峰值加速度为-1.85m/s2。加速度时程曲线见图1。

3.3 计算模型

计算模型模拟范围包括塔体部分和地基部分，其中塔体部分的下部边界取至底板下表面，高程2988.00m；平台高程3005.50m，排架顶部高程3016.00m，计算模拟的总高度为28m。地基部分的上下游长约22m，左右两侧长约19.5m，与塔体两侧一致；地基深度取25m，即延伸约1.5倍最大塔高。坐标系的X轴取顺水流方向，以指向上游为正；Y轴取垂直水流方向，指向右岸为正；Z轴取竖直方向，向上为正。符合右手螺旋定则。塔体及地基的三维有限元模型见图2。

3.4 计算结果及分析

3.4.1 位移场分析

经比较，在t=13.22s时，进水塔结构综合位移值较大。从整个时间历程上看，顺水流向位移Ux：对于塔体顶部，X向动位移最大值为-0.003mm，位于塔体顶部，出现时间为t=13.22s；X向动位移最小值为-0.01mm，出现时间为t=5.46s；对于排架，X向动位移最大值为2.84mm，位于启闭机房顶部，出现时间为t=13.22s；X向动位移最小值-2.29mm，位于启闭机房顶部处，出现时间为t=11.46s。竖向位移Uz：对于塔体顶部，Z向动位移最大响应为-0.162mm，出现时间为t=13.22s；Z向动位移最小响应为-0.163mm，出现时间为t=11.38s；对于排架，Z向动位移最大响应为-0.33mm，出现时间为t=11.46s；Z向动位移最小响应-0.55mm，出现时间为t=13.22s。

从时间点（塔体t=13.22s）的位移等值线图上看，顺水流向位移Ux：对于塔体和排架整体，X向动位移最大响应为2.92mm，位于排架顶部；上部排架X向动位移明显大于下部塔体。垂直水流向位移Uy：对于塔体和排架整体，Y向动位移最大响应为0.23mm，位于明渠平台边缘；除去排架顶部，Y向动位移在-0.14mm～0.21mm范围内。竖向位移Uz：对于塔体和排架整体，Z向动位移最大响应为0.65mm，位于排架顶的中部；Z向动位移分布趋势为从上而下逐渐减小。综合位移Usum：对于塔体和排架整体，综合位移最大响应为2.92mm，位于塔体顶的中部；综合位移以竖向位移为主，分布趋势同竖向位移相似。进水塔排架启闭机房顶部动位移最大，分布趋势从上而下逐渐减小，整体动位移较小。

3.4.2 应力场分析

经比较，在t=11.87s时，进水塔结构动应力响应较大。从代表点的整个时间历程上看，在t=11.87s时，进水塔动应力响应最大，此时整个结构以受压为主；各应力关键点中σ1最大值为1.15MPa，位于进水口胸墙处d点，出现时间为t=11.87s；σ3最小值为-1.54MPa，位于排架底部e点，出现时间为t=7.54s。地震作用效应的计算结果表明，在塔体与排架结构结合部位、中间各层板梁结构、部分载面突变处会产生较高的应力集中，需要配筋处理，增强混凝土的抗拉性能。

从时间点（塔体t=11.87s）的应力等值线图上看，第一主应力σ1：在地震作用下，第一主应力主要为拉应力，最大值为1.4MPa，为应力集中，未超过C25混凝土动态抗拉强度2.31MPa；除去应力集中区域，塔架大部分区域应力在1.0MPa以内；塔体第一主应力值较小。第三主应力σ3：在地震作用下，第三主应力主要为压应力，最大压应力为-5.52MPa，发生在进水塔胸墙部位；较大压应力主要出现在上部排架柱的底部和各梁柱的连接处，除去应力集中区域，进水塔整体第三主应力值较小，大部分区域压应力值在-3.5MPa以内，未超过C25混凝土动态抗压强度21.71MPa。Z向正应力σz：塔体沿Z向以受压为主，压应力最小值为-3.1MPa；较大压应力主要发生在排架柱底部；塔体Z向应力值较小，大部分区域应力值在-2.3MPa～-0.1MPa范围内。岩基竖直向正应力σz：塔体底部基础竖直向全部承受压应力，最大竖直向压应力-0.42MPa，发生塔体两侧明渠底部岩基，进水塔岩基动态承载力标准值为静态承载力标准值的1.5倍，则动态承载力标准值为1.5MPa～1.8MPa，岩基最大竖向压应力值小于岩基动态承载力标准值，满足规范要求。

3.4.3 基于有限元计算结果的进水塔稳定计算

基于前面有限元动力的计算结果，对进水塔沿建基面的抗滑稳定进行计算分析。在地震波的作用下，进水塔沿建基面的抗滑稳定安全系数为6.20～8.60，均大于规范规定的抗滑稳定安全系数1.05，满足规范要求，说明进水塔在地震工况作用下是安全稳定的。

3.5 进水塔抗震时程分析及评价

进水塔顶部动位移最大，分布趋势从上而下逐渐减小，整体动位移不大，规律性合理；根据前面的有限元动力计算结果，进水塔动应力均小于混凝土强度设计值，基础竖向应力均小于基础承载力；采用基于有限元静力计算成果的刚体极限平衡法，将进水塔在实测波作用下，沿建基面的抗滑安全稳定系数大于规范允许安全系数，进水塔沿建基面安全稳定。

4 结束语

文章采用三维有限元方法，对拉拉山水电站进水塔进行了三维动力分析，分析了其位移和应力响应，对分析了其抗滑稳定安全性。分析结果表明，进水塔在地震工况下，其结构应力、基础承载力及抗滑稳定均满足规范要求。为确保工程安全，建议加强地震动监测，密切关注震前、震后进水塔结构的位移和应力变化。同时，进水塔塔身结构体型力求简单对称，质量和刚度变化平缓，减少应力集中，并确保足够刚度。塔体上部和后部与岩体紧贴，并在基础部位布设固结灌浆，增加整体性。

参考文献

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