水电站进水塔三维有限元静动力分析

刘 曜

（1.西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地 陕西 西安 710048；2.上海勘测设计研究院四川分公司 四川 成都 200434）

某电站进水口位于右坝肩上游，为直立式岸塔进水口，进水口前沿宽度23.5m，进口宽20.5m，共分4孔，每孔布置主副拦污栅两道。进水口上下游方向总长为20m，分为两段：拦污栅段和闸门段。在进水口平台上设置一台320kN双向门式起重机及2500kN固定卷扬机，分别用于拦污栅和电站进水口事故检修闸门的启闭。进水塔顶部高程为805.0m，进水口底板高程775m，满足死水位时发电要求。进水口闸门井段设1扇事故检修闸门（宽9.0m×高9.5m）,闸门段后紧接15m长的渐变段引水洞。

1 计算模型

采用ANSYS有限元结构分析软件对进水塔进行静动力分析。塔体、地基、拦污栅框架均用六面或四面体、五面体块单元模拟；地基接触面用接触单元模拟。网格离散如图1。模型单元数：254823；节点数：107494。

进水塔与地基间的动力相互作用对进水塔的地震反应有一定影响。在地震反应分析中，以无质量地基底部均匀输入的方式考虑地基与塔体的动力相互作用和地震动的输入。为此，在有限元法的计算中，取下游、左右及深度方向约为1倍塔高范围的无质量地基，以反映地基弹性影响。模型中的x轴指向下游，y轴指向左岸，z轴指竖直向上。对计算模型施加边界约束和荷载。在地基底部施加三向约束，地基上、下游面及左、右侧面施加法向连杆约束。

图1 模型整体网格离散

库水对塔体地震反应的影响有一定的影响。本次计算采用水工建筑物抗震规范第10.1.6条给定的方法确定附加质量，体现库水和闸室内水体的动力影响。

图2 塔体部分网格离散

2 计算荷载及计算工况

计算中需考虑以下荷载：自重、静水压力、动水压力、扬压力、地震力、浪压力。各项荷载按《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077-1997）以及《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073-2000）进行考虑并施加到模型相应的位置。

计算地震分别考虑顺水流和垂直水流两个方向的地震作用。地震作用效应采用振型分解反应谱法。本分析计算取I类场地、反应谱特征周期Tg=0.21s，反应谱最大值的代表值βmax=2.25的岩基标准设计反应谱进行。

静力分析工况及荷载组合见表1。

动力分析计算工况：工况6顺水流向地震作用：工况7垂直水流方向地震作用。

表1 计算分析工况及荷载组合

3 计算成果与分析

本文采用三维有限元方法分别对工况1～工况7的应力和位移进行了计算，限于篇幅不再一一赘述，只给出部分计算结果。

3.1 自振特性分析

地震作用的动力分析采用振型分解反应谱法进行，参与振型取前20阶。篇幅原因表2分别列出进水塔前8阶自振频率及周期，空库是指不考虑水体的影响，满库是指考虑塔体周围和塔内水体附加质量的影响。

第一振型以垂直于水流方向振动为主，第二振型以顺水流方向为主，总的来说，沿各个方向（包括绕三个轴的转动）的振型相应的频率较分散，反应了进水塔设计断面沿高度的质量、刚度分布均匀性较好，具有良好振动特性。进水塔前两阶示意图见图3和图4。

图3 进水塔结构的第1阶振型图

图4 进水塔结构的第1阶振型图

表2 进水塔自振频率

3.2 位移分析

各工况下位移成果详见表3。

表3 各工况下位移成果

在静荷载作用下，进水塔的总体位移最大值为3.4mm，发生在工况4；在动静荷载作用下，总体位移为5.5mm。总体上说，塔体的整体变形不大。塔体门槽的位移较小，不会影响闸门的正常工作。因此，塔体结构的总体布置基本合理。

3.3 应力分析

在边墩和中墩外侧面上部有一定范围的主拉应力区，除应力集中区以外，其值在0.5MPa至0.8MPa之间。在动静荷载作用下，中墩外侧面上拦污栅闸槽位置附近，有较大的主拉应力区，其最大值为1.0MPa；在横梁端部与边墩、中墩交界处产生局部拉应力区，特别是在地震，垂直水流方向地震作用下，其最大值为4MPa。

塔体前部横梁中部下方受较大的拉应力，最大值为1.25MPa，发生在地震工况；在横梁与中墩交界处产生较大的局部拉应力最大值约为3.77MPa。

4 结论

（1）在建基面上沿Z方向的正应力基本上为压应力，其大小呈上游较小，下游较大，其抗滑稳定性的分析结果表明，塔体的稳定性符合规范要求。

（2）模态分析结果表明，进水塔在塔体受到水平向地震荷载作用时，塔体明显出现拉应力，应适当增加钢筋量，承担地震荷载拉应力。

（3）塔体中心偏前，静荷载作用下塔体有前倾的位移趋势。

（4）塔体的综合应力不很大。按有限元法计算，在塔身与事故闸门槽交汇处附近胸墙板出现了较大拉应力，主要是出现在边缘应力集中区，且范围很小。陕西水利

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