某电站溢洪道控制段三维有限元分析

张 凯，杨 鹏，李晓彬

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

随着我国水电事业的不断发展，电站规模越来越大，结构受力状态愈加复杂，并且越来越多电站在高地震烈度地区开始修建，给水工建筑物的结构设计工作带来了巨大的挑战。溢洪道不仅要求汛期正常泄洪，更肩负着紧急情况下降低库水位确保大坝安全的重任，需要高度重视溢洪道安全。为确保结构建筑物安全而采用不同的计算方法进行复核：宫经伟采用刚体极限平衡法对新疆某水利工程溢洪道控制段稳定性进行了分析，认为地震作为对结构稳定性影响显著。范鹏采用ADINA软件对溢洪道闸室段整体沉降进行了分析。彭玮采用了振型分解反应谱法对引水发电系统进水塔动力响应特性进行了分析。范书立以重力坝为例对新旧抗震规范对设计的影响进行了分析。祖威对猴子岩水电站进水塔进行了三维有限元分析。李亚军对某溢洪道堰闸段进行了静力和抗震性能三维有限元分析。本文拟通过对具体案例的分析总结为类似工程设计提供借鉴参考。

某工程位于西南强震地区，场地基本烈度VII度，基准期100年超越概率2%的设计地震动峰值加速度高达307gal；最大下泄流量12627m3/s，校核洪水(PMF)情况下最大泄洪功率约为34100MW。经过前期大量方案比选最终选择了如图1所示的枢纽布置方案。泄洪系统采用平行布置3孔洞式溢洪道+1条深孔泄洪洞的形式，其中溢洪道孔口尺寸15m×22m(宽×高)，单个控制段长63m，宽20m，高51m，弧门推力高达72×103kN；由于结构受力复杂抗震问题较为突出，在设计过程中采用了三维有限元对控制段进行了性能化设计。

图1 溢洪道布置三维示意图

1 计算模型及参数

计算采用无质量地质模型，模型向上下游和左右侧各延伸100m作为截断边界。有限元模型实体单元采用Solid185单元，锚索采用Link180单元模拟，弧形门铰支座采用MPC184单元简化处理，弧门推力以集中荷载的形式施加在耦合点处。模型共140174个单元，159175个节点，地基采用全约束边界条件进行约束，计算中不考虑二期混凝土受力，有限元模型如图2—3所示。

图2 有限元整体模型

图3 控制段细部网格

溢洪道控制段材料分区主要包括：底部垫层混凝土(C30)，预应力闸墩及牛腿混凝土(C35)，过流面抗冲磨(C9045)，堰体大体积混凝土(C25)。控制段底部岩体为IV类。相应的材料参数见表1。

表1 材料参数表

2 计算荷载及工况

本案例对溢洪道控制段正常挡水工况、完建工况、检修工况及地震工况进行了模拟分析。主要考虑了结构自重，静水压力，弧门推力、平板门推力、扬压力、浪压力以地震作用。其中弧门推力以集中力形式施加在MPC单元的耦合点处，地震动水压力采用附加质量的形式进行施加。各工况下的荷载组合见表2。

表2 控制段计算工况及荷载组合

3 结构应力分析

3.1 静力工况模拟

溢洪道采用各孔独立的布置形成，各闸墩均为边墩受力状态。初步布置的成果为：闸墩厚度5m，沿闸墩厚度方向布置三层3000kN级锚索，各层间距0.7m，每层布置7根夹角5°，中心锚索与水平夹角17.32°。

完建工况模拟采用生死单元技术进行：首先沿高程方向每2m一层进行分层加载，得到了混凝土浇筑完成时控制段受力状态；然后在此基础上研究了完建和正常挡水工况下锚索对闸墩受力状态的影响。

为了准确把握控制段状态，找到设计薄弱环节，对控制段锚索采用Link单元进行了精确模拟，锚索的线刚度根据面积等效的方式取为710MN/m。采用降温法对锚索施加预应力，通过APDL语言在荷载步间的迭代确保每根锚索张紧力在3000±1kN。完建工况锚索张拉前后控制段主拉应力分布如图4—5所示，正常挡水工况闸墩的主拉应力分布如图6—7所示。

图4 完建工况控制段主拉应力(锚索张拉前)

图5 完建工况控制段主拉应力(锚索张拉后)

对比图3—4可以看出，完建工况下锚索对闸墩整体应力状态影响不大，锚索张拉张拉后在闸墩外侧形成了扇形拉应力去，加剧了锚块与闸墩交接部位应力集中现象。应力集中现象在锚块与闸墩内表面交线位置最为严重，超过混凝土抗拉设计强度的深度约1m，在设计过程中应考虑配置适当的限裂钢筋。

图6 正常挡水工况闸墩第一主应力(不虑锚索作用)

图7 正常挡水工况闸墩主拉应力(考虑锚索作用)

通过正常挡水工况计算结果可以看出，在锚索拉力作用下弧门推力引起的拉应力区明显减小，正常挡水工况超过混凝土设计强度的区域基本消失，仅在锚索上游锚固点和锚块位置存在局部的应力集中现象。

扇形锚索的布置使闸墩的受力状态得到明显改善，安全性得到提高，由于工程尚未进入施工图设计阶段，本次计算仅对锚索布置的合理性进行了复核，在下阶段将对锚索布置方式进行优化设计，以进一步改善闸墩受力状态，确保溢洪道控制段安全运行。

3.2 闸室动力响应分析

(1)闸室动力特性分析

采用Block Lanczos方法对控制段在空库(完建及检修工况)和满库(正常挡水工况)状态下的自振特性进行求解。控制段前5节振型的自振频率和振型分别见表3—4。

表3 控制段自振频率(Hz)

表4 各工况控制段稳定结构系数γd

控制段自振频率计算结果表明，空库和满库状态下水闸的振动特性符合一般性规律，动水压力对高阶频率影响更为明显；振型计算结果表明，控制段振型以垂直水流向运动为主，地震工况下没有出现明显的薄弱位置，低阶振型主要集中在闸墩尾部；由于在锚索张拉平台位置闸墩厚度减薄鞭梢效应较为明显，后期应加强该部位回填体的连接提高闸墩侧向刚度。

(2)地震工况模拟

采用振型分解反应谱法对地震效应进行了模拟；考虑到各阶频率相差不大各振型间可能存在相互影响，模态叠加计算采用完全二次项组合方法(CQC)。通过软件提供的工况组合能，将地震工况与正常挡水工况下荷载效应叠加得到地震工况下闸室的受力状态，在叠加过程中动力效应折减系数根据规范要求取0.35。

在地震工况，控制段主拉应力和主压应力最大值均出现在门机大梁与闸墩交接位置，如图8所示，主要是由于应力集中引起。闸墩墩底部靠近堰面位置存在深度1m左右的区域超过混凝土抗拉强度，最大拉应力值在3～4MPa，在闸墩底部需配置一定数量的抗震钢筋。闸墩第三主应力分布规律与第一主应力基本一致，高应力区出现在了闸墩底部，但未超过混凝土抗压承载力设计值。

图8 地震工况控制段第一主应力分布

4 整体稳定性分析

按照DL/T 5398—2007《水电站进水口设计规范》对控制段抗滑、抗倾和抗浮稳定性进行了复核，控制段基础底面混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数取0.9，基础底面混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力取700kPa。

通过计算可以看出，在考虑地震工况系数后抗滑稳定性和抗浮稳定性系数有所升高，抗倾稳定性系数虽有较大幅度下降，但稳定性仍有较大富余，控制段稳定性能够满足规范要求。

5 结语

本文采用ANSYS有限元软件，对溢洪道控制段静动力工况进行了受力分析，对锚索张拉效果和地震作用下控制段动力响应进行了分析，并基于有限元计算结果对溢洪道控制段的稳定性进行了复核，通过本工程实例的计算得到以下结论供类似工程参考：

(1)正常挡水工况下，锚索有效地降低了闸墩扇形拉应力分布，闸墩受力状态改善明显，但由于锚索单侧布置导致锚块区域应力分布复杂，引起明显的应力集中，设计时要加强对体型优化同时加强限裂钢筋布置。

(2)在地震工况下，控制段闸墩侧向刚度较低，侧向振动较为明显，引起闸墩底部出现较高弯曲应力，建议提高在类似工程设计值应充分考虑侧向支撑措施，例如：通过在闸墩后部增加联系梁板以提高结构整体性，在闸墩外侧回填低标号混凝土增加闸墩侧向支撑等。

(3)地震作用对闸墩的抗倾覆影响较大，侧向抗倾覆稳定明显降低，在进行控制段设计时应尽量控制结构高宽比，以提高结构的垂直水流向稳定性。