水电站拦污栅结构抗震优化设计探讨

李 艺， 黄 娟

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072； 2.中国核动力研究设计院， 四川 成都 610213)

0 前 言

水电站进水口设置拦污栅的目的是防止污物进入进水口，进而进入压力管道和水轮机。拦污栅结构为框架式结构，在静力工况下，结构的整体稳定较易满足要求，结构应力也较小，其地震工况为结构的控制工况。因此，应加强连接点和支撑部件的强度和刚度，保证结构的整体性和足够的抗扭刚度以满足抗震要求。

某电站工程区地震基本烈度为Ⅷ度，进水口按50年超越概率10%的地震基岩动峰值加速度220 gal进行设计。本文对其进水口拦污栅结构进行优化设计探讨。

1 三维有限元计算分析

1.1 进水口结构

进水口为岸塔式，由拦污栅、闸室段和回填混凝土组成。塔高39 m，底板厚3.5 m，单塔横水流向宽度43.5 m，顺水流向长度24 m。进水塔前部为拦污栅段，设7孔拦污栅，6个宽1.9 m的拦污栅中墩，两个宽2.45 m的拦污栅边墩。栅墩间净距3.9 m，长度6.07 m，栅墩与底板连成整体，栅墩之间设置横撑，横撑断面1.0 m×1.2 m(宽×高)，栅墩后部与塔体胸墙之间设置纵撑，纵撑断面1.1 m×1.2 m(长×高)。横、纵撑沿竖向分四层布置，层间高差分别为：6.5 m、6.5 m、7.2 m。闸室控制段，采用喇叭型进口，内设事故闸门和通气孔，事故闸门孔口尺寸12 m×14.5 m(宽×高)。

1.2 计算模型

1.2.1 模型及边界条件

方案一(原始方案)塔体三维有限元模型：基础选取为进水塔结构长度并向上、下游各延长40 m，左右侧各延长30 m，竖直向向上、下各延伸40 m。模型采用SOLID45实体八结点六面体及其退化的四面体单元，整个模型共分为85 341个节点，86 116个单元。计算模型见图1、2。

图2 初始方案塔体模型(取一半)

模型的约束条件为：基础上下游及左右两侧边界施加法向约束、基础底部边界施加全约束。

1.2.2 计算参数

拦污栅及闸室段混凝土强度等级为C25，门槽二期混凝土为C30，塔体右侧及塔背回填混凝土为C15。塔体地基按地质剖面图大致可划分为Ⅲ2、Ⅳ类，基岩计算参数均按中限取值。具体计算参数见表1。

工程场地地震基本烈度为Ⅷ度，进水口结构为非壅水建筑物，按50年超越概率5%的地震加速度设计，即水平向设计地震加速度代表值为220 gal。

表1 材料参数

1.3 计算成果分析

说明：X方向为顺水流方向，指向下游为正；Y方向为为横水流方向；Z方向为竖直方向，向上为正，方向符合右手法则。

1.3.1 位 移

拦污栅结构在地震工况下各部位的位移峰值见表2。

表2 初始方案拦污栅各部位位移峰值 mm

从位移结果看，拦污栅结构各部位位移均不大，最大位移出现在横撑和栅墩处，其值为3.286 mm，结构的位移能满足规范要求。

1.3.2 应 力

拦污栅结构在地震工况下各部位的应力峰值见表3。

从应力结果可以看出，拦污栅结构各部位均出现较大的拉应力。横撑沿横水流方向上最大拉应力达到了8.81 MPa；纵撑沿顺水流方向上最大拉应力达到了14.1 MPa；栅墩在竖直向最大拉应力也达到了6.54 MPa。如此大的拉应力，不利于结构的稳定安全，特别是纵撑和横撑，断面面积较小，其应力水平很难通过配筋措施来解决。因此，需要对结构进行调整，增强结构的整体性和刚度，来提高其抗震性能。

表3 初始方案拦污栅各部位应力峰值 MPa

2 结构优化设计

2.1 结构优化方案

从方案一(原始方案)的计算结果可以看出，拦污栅结构在地震工况下产生较大的拉应力，需要对结构进行调整来降低其应力水平。为增强结构的整体性和刚度，提出两种优化方案进行分析对比：方案二将上面两排纵撑沿竖直向连成隔墙，将第二排纵撑沿水平向连成板；方案三将上面三排纵撑沿竖直向连成隔墙。详见图3～5。

2.2 各方案成果对比分析

2.2.1 位 移

地震工况下拦污栅结构三种方案各部位的位移峰值见表4。

由计算成果可以看出，结构调整后的方案二和方案三位移较原始方案均有所减小，方案二横水流向的位移更小，而方案三在顺水流向和竖向的位移更小。总体来说，几种方案位移水平均不大，满足相关规范要求。

表4 拦污栅各部位位移峰值 mm

2.2.2 应 力

地震工况下拦污栅结构三种方案各部位的应力峰值见表5。

表5 拦污栅各部位应力峰值 MPa

由表5可知：三种方案的应力分布规律相同，结构横水流向最大拉应力出现在横撑部位，顺水流向最大拉应力出现在纵撑部位，竖向最大拉应力出现在栅墩部位。经结构调整后，各部位的拉应力明显减小，横撑结构横水流向最大拉应力方案二较原始方案减少了17%，方案三减少了23%；纵撑结构顺水流向最大拉应力方案二较原始方案减少了26%，方案三减少了54%；栅墩结构竖直向最大拉应力方案二较原始方案减少了16%，方案三减少了39%。

可以看出，方案三各部位的拉应力比方案二更小，更利于增强结构的抗震性能。特别是对于原始方案中拉应力特别大的横撑和纵撑，方案二虽有所降低，但纵撑最大拉应力仍达到10.5 MPa，而按照方案三调整后，各部位最大拉应力均小于7 MPa，可通过配筋措施来满足其应力条件。从施工角度看，方案三也更利于混凝土施工。因此，该工程的拦污栅结构推荐采用方案三的布置形式。

4 结 论

(1)拦污栅结构的抗震性能较差，在结构设计时，需要注意地震工况下结构的应力薄弱部位：横撑部位的横水流向拉应力往往较大；纵撑部位的顺水流向拉应力往往较大；栅墩部位的竖直向拉应力往往较大。

(2)横撑和纵撑的断面尺寸较小，地震工况下结构的连接点易出现较大的拉应力，可以考虑将部分横纵撑连接成板，增强其整体性。本文分析中，经结构优化后，相比于原始方案，横撑横水流向最大拉应力减少了23%，纵撑顺水流向最大拉应力减少了54%。调整后的结构应力水平改善非常显著，可以对类似工程提供一定的参考价值。