某水电站进水塔静力稳定性分析

宋增伟，李元庆

(沂水县跋山水库管理处，山东 沂水 276400)

1 概 述

进水塔作为水利枢纽的一个重要组成部分，一旦受到破坏，将严重影响电站的正常运行和经济效益。因此，对其进行稳定性分析有着重要意义。程汉昆等[1]基于Ansys对进水塔的抗滑稳定性进行分析；尚俊伟等[2]对进水塔塔体各关键部位的受力情况进行了分析，并采取相应措施以保证进水塔的稳定性；刘云贺等[3]基于黏弹性边界分析了高耸进水塔的地震动态响应。本文基于大型有限元软件ABAQUS建立某进水塔地基静力分析模型，进行了三维有限元静力计算，分析空库及正常运行工况下进水塔的应力、位移分布规律，总结评价最大应力产生的原因，并针对性地提出相应的加固处理措施。

2 模型和计算工况

2.1 计算模型

某水电站采用岸塔式进水口，共4个。进水口底板高程为2 794.00 m，塔顶高程为2 902.00 m。塔高108.00 m，单个顺水流方向长度为34.58 m，垂直于水流方向宽度为31.40 m。塔背与山体之间有回填混凝土，回填混凝土高程为2 818.00～2 857.00 m，回填高度为39.00 m。

1) 坐标系的说明。取左侧进水塔的左边墩的左侧外表面、迎水面以及底板上表面3面的交点作为坐标原点。X轴为竖直方向，向上为正；Y轴为沿水平方向且垂直于水流方向，向右为正；Z轴为水平方向，顺水流方向，指向下游为正。

2) 计算范围。选取两个相邻的进水塔作为计算模型，自上游到下游左侧进水塔为①号进水塔，右侧为②号进水塔。

塔体部分：下部边界取至底板下表面，高程为2 788 m，上部边界取至塔顶盖板，高程为2 902 m，计算总模拟高度为114 m。

地基部分：向上游延伸53.8 m，向下游延伸81 m，左右两侧分别与塔体分缝边墩外侧表面一致，地基深度为114 m。

3) 网格划分。本次计算采用ABAQUS的C3D8八节点六面体实体单元，计算模型共有109 872个单元、142 552个节点。

4) 边界条件。地基的四周表面采用法向约束，地基的下表面进行全约束，塔体之间为自由面。

进水塔及地基的整体三维离散模型见图1和图2，计算采用的材料参数见表1。

图1 水电站进水塔及地基的整体三维有限元模型

图2 水电站进水塔三维有限元模型

表1 材料力学性能表

2.2 计算工况

校核洪水位为2 896.82 m，而正常蓄水位为2 895.00 m，两者相差不大。因此，本文静力计算只考虑以下两种工况，见表2。

表2 计算工况

3 稳定性分析

3.1 空库工况结果分析

1) 最大拉应力。塔体的拉应力主要出现在进水塔中墩与边墩之间的连系梁上，而且每层连系梁的最大值一般出现在与拦污栅墩的相交的位置。最大拉应力出现在中墩与边墩之间的最下面一排连系梁(高程为2 822.80 m)上，其值为2.908 MPa。方向为在Y轴方向(水平垂直于水流方向)。同时，进水塔喇叭口出流道顶板中部位置也出现了0.138～2.384 MPa的拉应力集中区。见图3。

2) 最大压应力。压应力呈现出随着高程降低而逐渐增大的趋势，最大压应力出现在塔体底部的边墩位置，方向为竖直向下方向，其最大值为10 MPa。流道的边墙位置也出现大约7.347 MPa的压应力。见图4。

3) 位移分布情况。竖直方向(X向)位移U1，在初始地应力与结构自重的作用下，X向位移主要是结构沉降，最大值出现在边墩的上部，最大值为-9.838 mm，底板的竖向位移为-2.582 mm。结构的竖向位移呈现出沿高程递增而变大的趋势。水平垂直于水流方向(Y向)的位移呈现出以进水塔的中轴线对称，最大值出现在进水塔左侧边墩的下部位置，最大值为-0.813mm，右侧边墩的下部最大位移为0.774 7 mm，两侧的边墩下部有分别向两侧弯曲的趋势。在顺水流方向(Z向)，进水塔的中墩和边墩的下部表现为正向位移，最大值为0.791 6 mm，而进水塔的中上部表现为-Z向位移，最大值为1.616 mm。结构综合位移最大值出现在进水塔的顶部，最大值为9.952 mm，综合位移也呈现出沿进水塔高程降低而变小的趋势。各向位移分布情况见图5-图8。

根据以上计算结果，最大拉应力出现在进水塔边墩与中墩之间的连系梁上。这是因为边墩在重力作用下，其下部有分别向两侧弯曲的趋势以及中墩与边墩的不均匀沉降导致下部的连系梁拉较严重，出现了最大拉应力。最大压应力出现在进水塔拦污栅墩的底部，则是因为结构自重引起的。

图3 工况1下Y向应力分布云图

图4 工况1下X向应力分布云图

图5 工况1下X向位移分布云图

图7 工况1下Z向位移分布云图

图6 工况1下Y向位移分布云图

图8 工况1下综合位移云图

3.2 正常运行工况结果分析

1) 最大拉应力。拉应力主要出现在进水塔的垂直于水流方向(Y向)连系梁与中墩和边墩的交接处，并且呈现出沿高程降低而增大的趋势，最大值出现在最下面一排连系梁(高程为2 822.80 m)与边墩的交接处，其值为3.618 MPa，见图9。进水塔底部流道顶板无明显拉应力集中现象。

2) 最大压应力。进水塔压应力最大值出现在高程为2 857 m的塔背位置，最大值为10.24 MPa，见图10。

根据以上计算结果，当结构施加静水压力以后，结构的应力情况分布发生了明显变化。最大拉应力变为3.618 MPa，拉应力增大是因为在进水塔外围静水压力的荷载，而塔体与塔体之间却因此存在分缝和止水，并没有静水压力，①号进水塔上部整体向Y轴正方向倾斜，②号进水塔整体向Y轴负方向倾斜，两个进水塔靠近分缝的边墩受静水压力的作用导致最下面一排连系梁被拉伸，因此在最下面一排Y向连系梁与边墩的位置出现最大拉应力。最大压应力出现在顺水流方向，回填混凝土高程的塔背位置，这是因为在两侧静水压力的作用下导致①号进水塔呈现出逆时针扭转的趋势，而②号进水塔呈现顺时针扭转的趋势，因此导致该高程的塔背位置出现最大压应力。由于结构与荷载的对称性，因此位移和应力均呈现出以分缝面为对称轴的对称性分布。

3) 位移分布情况。①号进水塔在各方向的位移与②号进水塔的位移情况呈对称分布，对称轴为两个进水塔分缝的中线。竖直方向(X向)位移，①号进水塔沿Y向逐渐减小并且逐渐变负向位移，其中正向最大位移为24.65 mm，负向最大位移为40.71 mm，即从上游到下游看去，①号进水塔的左侧位移竖直向上、右侧位移竖直向下，②号进水塔右侧位移竖直向上、左侧位移竖直向下。水平垂直于水流方向(Y向)位移，沿高程递增而变大，最大位移也是出现在边墩的上部，①号进水塔正向位移最大值为35.79 mm，②号进水塔负向位移最大为35.22 mm。顺水流方向(Z向)位移从分缝位置到两侧逐渐减小并且由正到负，其中正向位移最大为16.62 mm，负向最大位移为10.43 mm。综合位移呈现出沿高程增大逐渐增大的趋势，3向最大位移均是出现在进水塔边墩的上部。工况2下各向位移及综合位移情况见图11-图14。

图9 工况2下Y向应力分布云图

图11 工况2下X向位移分布云图

图10 工况2下Z向应力分布云图

图12 工况2下Y向位移分布云图

图13 工况2下Z向位移分布云图

图14 工况2下综合位移云图

4 结 论

1) 通过对某水电站进水塔进行静力分析，空库及正常运行工况下最大拉应力均出现在进水塔最下面一排沿垂直于水流方向的连系梁上，其大小分别是2.908、3.618 MPa，远远超过规范要求。

2) 两种工况下最大拉应力均是由于边墩变形引起的，因此建议增大边墩的刚度，以尽量减小因为边墩变形而导致连系梁拉应力过大的情况。