基于ANSYS厄瓜多尔德尔西水电站尾水渠挡墙结构计算

茹秋瑾，李晓琳

（杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100）

厄瓜多尔德尔西水电站为引水式电站，电站装机容量180 MW，多年平均发电量12.181亿kW·h，水轮发电机采用3台冲击式水轮发电机组，单机容量60 MW，额定引用流量为42.3 m3/s，额定水头495 m。水库上游最高运行水位为1491.00 m，水库库容60.4万m3，最大毛水头是534.7 m。尾水渠是电站的重要泄水建筑物，尾水渠挡墙的结构计算的正确与否关系到电站泄水的安全，本文拟通过ANSYS软件，建立有限元计算模型，对尾水渠挡墙的结构进行计算，以期对类似工程有借鉴作用。

1 尾水建筑物布置

枢纽建筑物主要由首部枢纽、左岸引水发电系统、发电厂房及其附属设施组成。尾水渠挡土墙分两个断面，断面1底高程为949.40 m，顶高程956.50 m。断面2底高程为948.40 m，顶高程956.50 m，挡墙上部回填区坡度均为1∶1.5，采用植草护坡。尾水渠主要分为两段，上游段桩号为PD0+006.60～PD0+020.00（断面 1）和下游段桩号 PD0+020.00～PD0+028.00（断面2）这两段的尾水渠挡墙体型见图1尾水渠挡墙体型图。

图1 尾水渠挡墙体型图（单位:cm)

2 挡墙结构分析

2.1 基本资料

基础座落在中风化片麻岩上部，根据德尔西水电站地质报告对岩体工程质量分级及物理力学参数建议，基础为Ⅲ级岩体，最大可信地震MCE水平地震加速度为0.28 g。混凝土强度：f’c=21 MPa，混凝土容重：γc=24 kN/m3。机组满发正常运行尾水渠尾水位950.59 m（桩号PD0+006.60）、950.57 m（桩号PD0+021.00），200年一遇洪水水位955.24 m（桩号PD0+006.60）、955.24 m（桩号PD0+021.00）。

2.2 工况组合

对于施工工况考虑干地施工条件，墙后填土采用天然容重。对于正常运行、地震工况、检修工况，墙后填土不完全浸没于水中。由于在非洪水工况时，水位较低，水位没有超过950.90 m高程。因此，只在洪水工况下水位下填土、地基土均采用浮容重，水位上填土采用天然容重，其余工况均采用天然容重计算。计算中对于土体的自重和土压力的计算，采用计算出数值，施加在有限元模型上的方式。对于挡墙自身的重量及地震惯性力，通过给其施加自重，以及修改地震惯性力的大小、方向的方式进行施加。计算工况及其荷载组合见表1。

表1 挡土墙荷载作用组合

2.3 荷载计算

根据美国规范《RETAINING AND FLOOD WALLS》（EM1110-2-2502)，对挡土墙各种组合的荷载系数如下：工况1：U=1.4Hf×D；工况 2：U=Hf(1.4D+1.7L)；工况 3：U=Hf(1.4D+1.7L)；工况 4：U=0.75(1.0Hf(D+L)+1.25E)；上面式中：D表示死荷载；L 表示活荷载；Hf表示水力系数，取值1.3；E表示地震荷载。

水平作用力指向墙背、竖直力铅直向下均为正。荷载计算时，取单宽1 m进行计算。对于挡墙上部的土体自重荷载，根据其高度，按照分布荷载，施加在挡墙上部。其中工况1、2、4挡土墙上部土体及水重荷载为682.85 kN，工况3挡墙上部土体及水重荷载为702.15 kN。由于墙后土体设置排水孔，墙背跟墙面受的静水水平压力相互平衡。在程序中，只需设定地震加速度的方向和大小，经过计算即可得到挡墙各部位地震力及其产生的应力场分布。扬压力、土压力荷载详见表 2、3、4。

表2 扬压力计算表（断面1）

表3 非地震工况主动土压力计算（断面1）

表4 非地震工况主动土压力计算（断面2）

依据美国相关规范计算各荷载数值，尾水渠挡墙计算简图见图2。

图2 尾水渠挡墙计算简图

3 有限元计算模型

3.1 遵循原则

对实体几何模型进行网格剖分遵循以下原则：

（1）符合建筑物受力特点。

从整体来看，该坝段变形整体上看以拉压变形为主。

（2）单元应能够反映应力集中。

按照本工程的实际情况，在应力梯度较大部位的单元尺寸一般不超过0.1 m。

（3）单元的形态良好。

3.2 模型建立

（1）结构坐标系

模型的建立采用整体笛卡尔坐标系。土压力方向为X方向，竖直向上方向为Y方向，原点为图2中的A点。

（2）几何模型详见图3挡土墙计算模型

图3 挡土墙计算模型

（3）有限元模型

本计算采用PLANE183平面单元进行划分。对于挡土墙，断面1总结点数4136，总单元数1305；断面2总结点数3916，总单元数1235。按照上述原则剖分的有限元模型，见图4挡墙有限元模型。

图4 挡墙有限元模型

3.3 挡土墙计算结果

尾水渠挡墙上游段（断面1）、挡墙下游段（断面2），分别对这两个断面进行工况1、工况2、工况3、工况4，进行应力图分析。限于篇幅本文不列出各个工况下的应力图。

由以上的计算结果，可知挡土墙断面1和断面2各工况下的应力及位移分布，其极值如表5和表6所示。

通过对两个断面各个工况的最大应力值进行对比，对于断面1，可以看出施工完建时，所有的应力值以及位移值均大于其他工况。对于断面2，可以看出正常运行时，所有的应力值以及位移值均大于其他工况。鉴于此，对于断面1，选取工况1作为控制工况，进行应力积分，对于断面2，选取工况2作为控制工况，进行应力积分。

表5 挡土墙断面1各工况应力位移最大值汇总（应力单位：MPa，位移单位：mm)

表6 挡土墙断面2各工况应力位移最大值汇总（应力单位：MPa，位移单位：mm)

由前面的应力计算结果可知，挡土墙断面1，断面2水平向和竖直向拉应力较大的位置都是相同的，对于X向应力，最大值出现在墙踵上部和墙斜交的位置；对于Y向应力，出现在挡墙后坡变坡处。因此选取如图5所示的积分路径，分别对X向和Y向应力进行积分。

图5 积分路径示意

下面对断面1和断面2的挡墙最大断面进行积分。应力积分结果见图6、图7，浅蓝色线表示沿积分路径的应力值，紫色线表示积分得到的力的大小。

图6 断面1挡墙水平向应力积分结果（PATH1）

图7 断面1挡墙竖直向应力积分结果（PATH2）

由上图所示的应力积分结果，再根据配筋公式各部位的配筋面积如下表7和表8所示

表7 断面1应力配筋计算

表8 断面2应力配筋计算

通过计算可以看出断面1和断面2，均需要在底板处配直径18 mm，间距200 mm的钢筋。对于抗剪，混凝土自身已经可以满足抗剪要求，无需配置钢筋。

4 结语

本文针对厄瓜多尔德尔西水电站的具体情况，该水电站尾水渠挡土墙断面有两种，分别为断面1和断面2，文中首先对挡墙进行结构分析，在施工完建、正常运行、200年一遇洪水、正常运行+最大可信地震四种工况下，进行荷载计算，建立有限元模型分别对挡墙的两个断面进行应力分析，计算结构显示：断面1和断面2，均需要在底板处配直径18 mm，间距200 mm的钢筋。对于抗剪，混凝土自身已经可以满足抗剪要求，无需配置钢筋。该水电站已经完工运行一段时间，实践证明计算结果安全可靠。在电站尾水挡渠的结构计算过程种，可以参照以上设立工况组合，安全可靠，具有一定的推广价值。