对水电站调压井结构有限元分析

乔天发

摘要：在水电建筑物中，调压井是其重要构成部分，而且调压井结构的稳定性将会对水电站的顺利运作产生直接的影响。紧跟着水利施工技术的不断进步，调压井的结构变得越加复杂，其内径也在逐渐变大，而且，因为在水利施工的时候，经常会出现地质条件不利于施工的情况。本文主要阐述了水电站调压井结构，并运用三维有限元对其进行计算分析。

关键词：水电站；调压井；结构

1.调压井的内涵

1.1 概况

调压井也被称作压力井，水电站中的调压井主要是用于调节水压。因为水电站中的引水管一般都是很长的，为此，在机组突然关闭的时候，因为水流具备一定的惯性，所以就会产生一定的水锤效应，就如同无压力井，水锤会损坏水叶等的零件。通过使用调压井，能够为水锤开通一条有效进行释放的通道，进而可以促使水流经过所造成的压力的减少。在水利工程中，由于建立一个调压室是需要很高的成本的，而且调压室的设计也是很复杂的，为此，在地形条件许可的情况下，一般都是运用调压井。因为调压井所具备的结构以及受力的特点，为此，调压井不单单包含了其工作的性质，同时也具备了地下工程所要具备的特点。就结构而言，水电站的调压井通常都是由钢筋混凝土土筒构成的。就比如某个调压井它的井底内径是3.3米，但在引水洞的27米以上内径变成5.5米，而调压井在地下的井壁应该是厚度为0.5米，而在地面上的厚度应该为0.3米。其中，图一是这个调压井的剖图。

1.2 计算调压井的目的及其内容

在对调压井的喷护采取初步的探究时要用到弹性力学以及结构力学，通过两个力学的有效运用可以得出应当运用长度为2.4米的SW ELLEX型锚杆以及10厘米的混凝土喷层采取喷锚支护。在计算调压井的时候，要按照有限元的计算结果，有效的对喷层以及锚杆进行合理的分析，进而能够有效的检验其是不是符合结构强度的需要。除此之外，在运用三维有限元对调压井结构进行分析的时候，也要运用两种混凝土的应力对调压井进行计算。第一种是地震加上自重，第二种是地震加上最高涌浪水压。按照其计算的结果，合理的对井壁的内力进行计算，进而能够为配筋提供有效的根据，最终能够制定有效的配筋计划，并能够符合结构强度的需要。

2. 有限元計算的方式以及模型

在对有限元进行计算时，一般都会运用ANSYS分析软件，而且，在水力水电中，这个软件也得到普遍的应用，因为这个软件能够对工程的计算进行检验，从而能够促使其偏差度在规定的范围内，为此，这个软件也越来越受到欢迎。

2.1 对全部单位和材料进行计算

对于计算有限元而言，一定要利用合适的单元模型，同时要具有一定的计算精度以及计算效率。按照调压井每一个位置的几何特征，如果运用ANSUS软件对50厘米的混凝土衬砌进行分析，通常都是运用弹性本构模型，如果对基岩进行分析，就要把基岩看成弹塑性介质，同时要运用Druck-er-prager原则。如果运用link8杆模拟对2.4米的锚杆进行分析，就一定要考虑其弹性。如果运用shell63对10厘米厚的喷层进行模拟，通常情况都是运用弹性本构模型。

2.2 计算有限元模型

由于在计算有限元的时候，为了确保其精度，一定要注重对模型的选择，其中主要是选择材料的参数以及建立有限元模型。对于调压井来说，一般情况下有两种模型手段。第一，当需要对全部的底部引水管以及井壁进行了解的时候，尤其是在了解受力情况的时候，有限元模型一定要包含引水管以及井壁在内，而锚杆的模拟能够运用促使锚杆强度参数提高的方法，即要提高单元强度参数，从而起到加固的效果，通常而言，需要提高到20%-30%左右。第二，当要清楚锚杆以及井壁的受力情况的时候，要在模型中明确锚杆的位置，因为调压井一般都是很深的，为此，要按照圣维南原理，从而能够促使有限元模型的建立，同时也能省略引水管。因为计算有限元的目的在于明确井壁、喷层以及锚杆的受力情况，为此，在建立调压井模型的时候，可以运用上述的第二种方法。

在建立有限元计算模型的时候，应当运用柱坐标系，即以调压井径向为X轴，以切向为Y轴，以高度为Z轴，而且坐标的原点要在调压井底部的圆心位置，高程应该是974米。在运用模拟金酸调压井的是婚后，要在调压井的底部一直延伸到50米，同时要在中轴线中向径向延长到50米。同时，也要约束有限元计算模型，即在底部中添加三向对计算模型进行约束，在计算墨西哥的边界面要添加法向链杆进行约束。而对于有限元的网格来说，要有20843个节点，同时要有6120个混凝土衬砌以及11800个基岩单元，此外，也要具备1080个喷层单位。

2.3 岩体、锚杆、混凝土的物理力学指标

2.4 计算地震动力

在分析调压井结构地震响应的时候，应当运用振型分解反应谱法，首先，要分析结构本身，从而能够获取大结构的自振频率以及动力特征，同时，在得到相关数据的基础上，要对结构运用地震反应谱，从而能够在反应谱中得到结构中不同的响应，然后，要运用SRSS法得到结构的整体地震响应。运用这种方式能够有效的设计结构的反应谱，从而能够得出地震峰值加速度应该是0.17克，而且特征周期的值应该是0.30s。一般而言，计算的反应谱如图三所示。

图三

3. 计算调压井有限元的结果

3.1 分析总体应力分布

就最高涌浪水位的影响力而言，第一主应力基本实在-12.1-19.7Pa范围内，在调压井顶板中所出现的小范围的拉应力区，甚至比较多的围岩都出现在压应力区中，其中，最大压应力是在调压井与交通洞汇聚的地方，最大拉应力会出现在引水隧道洞靠近山体得位置。而第三主应力是在-71.8-3.22MPA的范围内，调压井的围岩在-5.12-3.22MPS的范围内，而且最大的压应力应该会出现在调压井和交通洞汇合的位置。

3.2 计算锚杆有限元

通过计算有限元的结果，能够知道轴力最大的锚杆应该是在调压井高程的1002m处，而且其轴力要达到46.7KN，然而要低于100KN的设计抗拔力，为此，运用这种方式选取锚杆是十分合理的并能确保安全。

3.3计算10厘米厚的钢纤维混凝土喷层有限元

就钢纤维混凝土喷层环向应力等值线来看（图四），就可得知钢纤维混凝土喷层的环向受拉，其中，在调压井渐变段中拉应力应该是1.56MPa，在调压井底端的拉应力应该是1.62MPa，因为钢纤维混凝土喷层的抗拉强度是1.74MPa，为此，在这个喷层在开挖的时候是安全的。

图四

3.4计算衬砌有限元

就工况一而言，在地震加上自重的现状下，衬砌的环向应力都是很小的，为此，工况一并非控制工况，为此，在本文中将省略其计算结果。就工况二而言，即地震情况下的衬砌应力加上调压井最高的水压即1053.19米。其中，图五是工况二的剖面应力等值图。

图五

3.5计算井壁内力

得出应力结果后，要按照有限元元件进行合理的处理，从而得出相关的内力，最终有利于计算井壁的配筋。就调压井的结构而言，计算配筋时要包含垂直直向以及水平向在内。就水平来说，在得出每一个高程的拉力的以及力矩的时候，就能够按照受拉构件进行计算配筋以及抗裂。而且要对力矩以及应力进行科学的积分。对于垂直分析来说，也要计算力矩以及压力，从而可以按照偏心受压构件计算出配筋。

4.结语

综上所述，本文主要是运用有限元来计算调压井结构体，同时也分析了调压井的三个受力主体，即衬砌、喷层以及锚杆，并通过分析其受力的现状，有效的对设计工作进行指导。同时，在进行计算的时候，也包含了九个开挖時候的荷载步以及一个初始的荷载步，并运用了动态的模拟，从而能够有效的解决水电站调压井施工时所出现的问题。

参考文献：

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