基于ANSYS 抽水蓄能电站闸门井设计

李建平

（江苏省南昌县红旗大泵电力排灌管理站，江西 南昌330000）

1 研究背景与方法

本文研究的垣曲抽水蓄能电站位于山西省，电站的上下游水位差最大值为694.5m， 最小值为629m，能电站总装机容量1200MW，安装4台单机容量300MW的可逆式水泵水轮机组。 电站年发电量18.05亿kW·h，年抽水电量24.07亿kW·h，年利用小时发电为1504h， 抽水为2006h。 输水系统总长为1870.98m。

设计大中型水利工程输水道时， 为了保证输水道便于检修和保障隧洞安全运行， 往往需要设置闸门有效控制水流［1］。 当围岩条件比较好时，往往会将闸门井布置山岩之中。 抽水蓄能电站闸门井是引水系统工程的永久性建筑物［2］，在紧急情况下可以分隔输水道与上下库或厂房， 因此闸门井的结构安全尤为重要。 本文以山西垣曲抽水蓄能电站上库进出水口闸门井为例， 基于有限元分析软件ANSYS，对闸门井结构进行有限元分析计算， 提高了闸门井结构计算精度和结果的准确性， 并利用应力云图线性化计算得到结构内力值， 依据计算出的内力值结合规范对结构进行配筋，得出的配筋结果更合理，可直接应用于闸门井结构的施工图设计［3］。

2 国内外研究现状

作为电网智能化的有力支撑的抽水蓄能经过两次能量转换总效率可以达75%。 抽水蓄能电站具有调整用电负荷、调整电力系统频率、作为电力系统备用容量等功能， 可以提高电力系统供电质量和经济效益。 同时由于抽水蓄能电站可以有效降低电力系统旋转热备用容量和吸收谷负荷的作用， 因此是绿色电力体系不可或缺的组成部分［4］。 虽然我国抽水蓄能技术起步较晚，但是技术发展进步较快，目前我国抽水蓄能电站规模与技术已经处于世界一流水平。抽水蓄能电站在保障电网安全运行、促进清洁能源发展方面发挥重要作用。 由于抽水蓄能电站水头较高， 往往需要设置闸门井来减少水击压力对输水系统和发电设备的破坏。 传统方法将闸门井用于放置闸门槽构简化为简支梁或悬臂梁来计算， 在此基础上完成配筋，由于不考虑围岩的弹性抗力，计算结果往往不够精确。 随着计算机技术的发展及有限元分析理论的日趋完善， 有限单元法在工程领域获得了广泛的应用。

3 有限元方法

有限元方法是一种比较新颖有效地求解各种力学和场问题的数值计算方法。 有限元方法起源于20世纪早期。由于有限元方法具有准确和简便的优点，已经成为目前应用最为广泛的一种数值模拟计算方法［5］。

有限元方法的基本思想是把连续系统割成有限个满足后处理精度大小的单元， 各单元由设置的节点相互连接， 由有限个单元节点组成的系统来代替原来的连续系统［6］。 同时，在各节点上引入场函数来代替实际作用于系统上的载荷与边界条件， 并在每个单元中假设一个近似的插值函数来表示单元场函数的分布规律。 再建立求解节点未知量的弹性力学三大方程，依据预先设定的边界条件，对所有单元建立应力边界条件和位移边界条件［7］。 将所有方程集合起来，构成一组代数方程组，一一求解得到有限个节点处的变量。

有限元分析基本流程包括以下步骤： ①完成对象的离散，即对原结构进行单元划分；②描述单元，即计算各单元刚度方程；③整体组装，组装各单元刚度方程；④问题求解，处理边界条件求解节点位移，求支反力，求单元的其他力学变量（应力、应变）。

ANSYS求解应力应变过程中包含了弹性力学的研究方法，在体积V内：

依据微分体的平衡条件， 建立平衡微分方程（differential equations of equilibrium），如式（1）：

由微分线段上形变与位移的几何关系， 建立几何方程（Geometrical equations），如式（2）：

两者关系为相互补充、相互促进。医院文化对思想政治工作具有引导、规划和促进作用，医院思想政治工作的开展应重视医院文化的积极作用，[3]并善于主动营造良好的医院文化环境，以促进医院思想政治工作的实际效果；思想政治工作能有力促进医院文化建设，保证医院文化建设的正确方向。

4 设计过程

4.1 ANSYS建模

闸门井建模过程按照关键点到线到面最后到体的顺序进行。首先根据剖面图建立闸门井剖面，并在闸门井外建立边长为闸门井直径7倍的正方形平面用来模拟围岩。选取两个经过黏接操作的平面，同时进行extrude操作进行拉伸， 拉伸长度设置为闸门井实际深度， 本文所研究的抽水蓄能电站闸门井深度为93m。 本设计模型如图1，图2。

图1 拉伸前平面模型

图2 拉伸后立体模型

建立模型后就需要对所建立模型赋予单元属性。 本文选取的是solid186单元。 定义完单元属性后需要对围岩和井身分别赋予不同的材料属性。 材料属性是和集合模型无关的应力应变本构关系。 具体材料属性如表1。

表1 材料属性

完成单元属性赋予后就需要对实体模型进行单元划分， 采取不同的网格划分方式会使有限元分析结果千差万别，甚至无法计算。考虑到后续所取截面位置，本文采用体模型中六面体选项，通过sweep进拖拉、结构化网格划分。

4.2 加载求解

ANSYS中载荷的概念包含了边界条件、 外部效应和内部效应。 本文所涉及荷载为表面荷载与惯性荷载。 所施加表面荷载为水压力，呈梯度分布；施加惯性荷载是物体惯性所引起的荷载，本文中是重力。正常运行工况荷载分为内水压力和重力， 内水压力作用于井壁，淹没深度为85m，梯度荷载。施加荷载之后需要对实体进行约束，约束采用dOF约束，用于限定模型的自由度。结合工程实际情况，在围岩的四周和底面进行了约束，用以限制构件的平移自由度。完成所有操作后将施加在实体模型上的荷载转化到有限元模型上。 施加荷载与约束后如图3、图4。

图3 正常运行工况荷载约束示意图

图4 正常运行工况荷载示意图

4.3 后处理

引水闸门井井身为此次计算结构， 根据地质专业提供的围岩分类，引水闸门井周围均为Ⅲ类围岩，故依据井身布置及应力云图分布选取3个计算断面，如图5。 Ⅲ类围岩竖井不考虑水平围岩压力。

图5 闸门井剖面示意图

1-1截面的应力x方向应力云图如图6 （x方向应力最大值出现在通气孔处）。1-1截面y方向应力云图如7（y方向应力最大值出现在通气孔处）。

图6 1-1截面x方向应力路径

图7 1-1截面y方向应力路径示意

表2 各截面工况内力应力汇总

研究1-1 截面y 方向应力时选取路径长度为468mm。 在正常运行工况下， 根据线性化后的结果，1-1 断 面y 方 向 最 大 应 力：-3004Pa， 最 小 应力：-0.986MPa。

5 结果分析与建议

闸门井x，y，z方向应力和第一主应力均按照从井底到井身逐渐增大的规律。 尤其是z方向应力的分布，与预计分布较为一致。 应力主要为压应力，仅在局部区域存在拉应力。本文属于大体积水工建筑物，内部应力偏小。由于闸门井体型偏大，采取常规方法配筋会导致钢筋消耗量大。 在选取最小配筋率时应考虑结构具体应力特点，进行一些折减，或者在计算配筋面积时按照最小配筋率乘以承载力所需的混凝土面积来计算。

井身高度为93m，z方向变形较为明显。 虽然混凝土弹性模量较大，同样应力下相对钢材不易发生应变。 但是考虑到井身纵向尺寸较大，故在z方向累积变形较大。 在设计应考虑闸门井竖向缩短的影响，避免出现因设计高度不足导致闸门井涌浪溢出现象。

本文在研究过程中发现在闸门井井身z方向截取应力云图发现通气孔处在检修工况和正常运行工况都出现了较大的应力。 通气孔由于局部变形应力数值比一般截面要大； 另一方面因为在通气孔处几何形状不连续，存在截面尺寸突变，也会产生很高的局部应力。

6 结语

抽水蓄能电站闸门井同时承担调压井和放置闸门的作用。 本次设计建立了闸门井混凝土和围岩联合作用的模型，利用ANSYS软件分析闸门井在不同工况下的应力情况。 得出的主要结论如下：

（1）计算抽水蓄能电站闸门井配筋，发现闸门井内应力普遍小于混凝土抗拉强度，计算得出所选截面均按照构造配筋。

（2）为了便于后续选取相应的截面进行分析，在ANSYS中划分网格时应注意精度和网格属性。

（3）抽水蓄能电站井身各截面x，y方向应力最大值均出现在通气孔处， 由于存在应力集中现象，在施工时应注意保证通气孔表面尽可能光滑平整。

（4）由于尺寸效应，闸门井在z方向出现较大变形，长度缩短。在设计中应注意控制构件变形和排除因构件变形带来的负面影响。

（5）抽水蓄能电站闸门井属于大体积混凝土结构， 通过截面内力计算发现所选截面均属于构造配筋，故选取合适的配筋率在设计中具有重要意义。配筋率过低无法保证构件具有合适的延性特征。 同时由于构件为受压构件， 在配筋率过低时其承载力甚至会低于同尺寸无钢筋混凝土构件。 且构件在后续运行过程有受弯的可能，因此需保证合理配筋率。此外合理配筋还有助于削弱大体积混凝土产生温度裂缝与干缩裂缝。 但是大体积混凝土配筋率不合理偏高将大大增加钢筋用量，提高工程成本，造成资源浪费。 设计时应综合考虑，选择合适的配筋率。

（6）传统配筋计算是将闸门井当做悬臂梁进行配筋运算。本文将围岩和闸门井同时建模，较好地模拟了闸门井的实际工作条件， 同时利用ANSYS进行计算，完整获取在复杂外力作用下，变形体内部的各项力学信息，即位移、应变、应力。目前关于闸门井的ANSYS建模计算大多数是建立平面模型， 计算出相应的截面的内力，计算忽略了自重。由广义胡克定律可知，忽略自重将导致x，y方向正应变增大，从而与实际值产生偏离。同时本文计算时考虑了围岩作用，可减少配筋面积，配筋结果更加经济合理。

（7） 规范给出通气孔面积设计值公式仅从水力学和流体力学角度考虑，所以仅仅通过规范设计，数值稍显笼统粗糙。 建议后续设计通气孔尺寸时考虑应力集中影响，同时考虑风速和噪声，得出一个更加合理、经济、安全的结果。