基于流固耦合的某水电站进水塔参数的敏感性分析

程 琦

(塔城地区水利水电勘察设计院，新疆 塔城 834700)

0 前 言

进水塔相关动力研究基本都是通过附加质量单元模拟水对结构的作用力，再加上谱分析得出地震对进水塔影响的最大位移和最大应力。这种附加质量模拟地震的做法在研究一般水工建筑物是可行的，比如溢洪道、渡槽、水电站厂房蜗壳等[1]。由于它们本身的高度较低，刚度较大，虽用附加质量的地震简化计算与高仿真的流固耦合模型计算产生的差异不是太大，进水塔属于高耸孤立建筑物，且四面环水，受力情况较为复杂，尤其在地震情况下，受水的作用力影响较大，流固耦合方法更能真实反映水与结构相互作用的情况[2]。流固耦合作用的有关研究在航空、石油、海洋、水利和建筑等领域均有着极为重要的意义。如燃油在油箱内晃动对飞行器稳定性的影响、水中悬浮隧道在波浪作用下产生的流固耦合作用、油体湍振对输油管道的影响等[3]。其研究内容主要可以分3类：输流管道流固耦合、含液容器流固耦合和地下储层流固耦合[4]。

本文采用大型通用的ANSYS有限元软件，以西部地区某水电站工程进水塔为例，在考虑进水塔受水作用的情况下，用附加质量与流固耦合2种算法对进水塔的塔背回填混凝土高度和塔间连接梁截面大小进行敏感度分析，为摸清水与水工建筑结构之间的相互作用情况提供依据[5]。

1 工程概况

某水电站位于我国西北地区，枢纽布置的主体建筑由混凝土坝、左岸溢洪道、左岸泄洪洞、左岸溢洪道、排沙洞、左岸引水发电系统等组成。引水发电系统布置于左岸，由电站进水口、引水隧洞、地面厂房和开关站组成。电站进水口采用叠梁门分层取水，引水隧洞采用单机单洞，洞径6 m，流速4.99 m/s，主厂房内布置有3台混流水轮发电机组，单机容量260 MW。主厂房尺寸为21.9 m×96.5 m×54.6 m(宽×长×高)。电站进水口不同月份应采用不同高程的取水口。水库冰封期1月、2月和12月应采用靠近表层的取水口(1 680.00 m以上)来缓解高于天然水温的温水下泄问题；4月和5月应采用靠近表层的取水口(1 680.00 m以上)来改善低于天然水温的低温水下泄问题；6月和7月，应采用位于中层的取水口(1 650.00 m左右)来使得下泄水温与天然情况一致。水电站水库正常蓄水位为1 71.00 m，极限死水位1 645.00 m，年水位变幅65 m。根据施工组织设计，在工程施工形象可满足防洪渡汛要求，考虑一台机组提前发电，提前发电水位1 645.00 m高程，因此3号进水口为提前发电进水口，1号和2号进水口为正常发电进水口。同时进水口采用叠梁门分层取水进水口平面上呈“一”字型台阶状布置，单孔进水塔前缘宽18.5 m，顺水流向长度为34.5 m，由拦污栅段、叠梁门段、竖井连接段、闸室段组成。1号和2号正常发电分层取水进水口底板高程为1 662.00 m。进水口顶部高程为1 716.00 m。检修门孔口尺寸为6.1 m×7.3 m，事故门孔口尺寸为6.1 m×6.1 m；事故门后设2个直径为1.1 m 的通气孔，闸室段后以长度12 m 的方变圆渐变管段与引水隧洞连接。塔顶部平台布置门式启闭机1台。3号提前发电分层取水进水口底板高程为1 631.00 m。每个进水口设2孔拦污栅、2孔叠梁门，每孔净宽5.5 m，叠梁门最大挡水高度为1 683.00 m 高程，孔口尺寸为5.5 m×5.2 m，门叶分为11节，每节高度为4 m或5 m。其余尺寸布置同正常发电分层取水进水口，紧靠3号提前发电分层取水进水口左侧依次布置有中孔排沙洞、底孔泄洪放空洞[6]。

2 流固耦合的简化算法

流固耦合简化计算方法适用于动水压力简化计算模型。主要分为两类：

第1类为附加质量法。附加质量方法用于密闭贮水容器或接触水的水工建筑物中。原理根据液体的晃动对结构产生的压力可分为脉冲压力和对流压力两类。脉冲压力是与容器壁脉冲运动所引起的惯性力有关，且产生的动水压力和容器壁加速度成正比。对流压力则是由液体振动产生的压力，它是脉冲压力的结果。Housner以此为基础，求助于储存液体容器运动时其中液体流动的直观，发明出计算这2种压力的方法。这种办法避开了求解拉普拉斯方程和无穷级数，求解简单，便于计算。而且，此方法可对形状较为复杂的结构求解。得出了计算动水压力的简便方式。

第2类方法是基于morison方程的分析方法。该方法主要用于水中结构地震反映的分析，研究者一般采用动水压力的经验公式来简化流体对结构的作用。其中应用最为广泛的是的时morison公式，其运动方程如下：

(1)

本文采用了附加质量与流固耦合2种算法进行分析计算。

3 有限元离散模型

用附加质量谱分析方法模拟地震动，对进水塔的塔背回填混凝土高度和塔间连接梁粗细进行了敏感度分析。得出回填混凝土高度、连接梁截面面积的变化对于进水塔自振特性以及受到地震影响下的动响应的影响程度。基于ANSYS软件，在模拟时，塔体、围岩地基和回填混凝土均使用六面体实体单元离散，塔体网格较地基部分更为密集。图1为3号进水口三维整体有限元模型，网格划分后单元总数为37 795，节点总数为27 257。图2为3号进水塔不包括水体的有限元模型。

考虑进水塔塔体与地基的动力相互作用对进水塔的地震反应分析有一定影响。在建立有限元模型时，模型地基深度、上下游侧均取1倍建筑物高度(1号进水塔约为60 m，3号进水塔约为90 m)，模型左右侧取1倍建筑物宽度(约为20 m)以反映地基刚度对塔体动力特性的显著影响。基础前后、左右边界分别按法向链杆约束，基础底部边界采用全约束，以模拟截断边界的影响。根据任务书和双方协商意见，电站分层取水进水塔塔体采用C20和C25混凝土(以引0-18.00 m为分界，上游部分采用C25，下游部分采用C20)，塔后混凝土采用C15。岩石参数按照Ⅲ类岩体参数取值，弹性模量取下限值10 GPa。

图1 进水塔和地基整体有限元模型图

图2 不含附加质量塔体模型图

模型计算所用的材料参数见表1所示。

表1 计算模型参数表

4 高耸进水塔参数敏感性分析

4.1 高耸进水塔结构振动特性的影响

回填混凝土高程对高耸进水塔结构振动特性的影响。

改变进水塔背回填混凝土的高度，分别取高度H=74、66、58、50、42、34 m，其他参数不变，计算结构自振特性随回填混凝土高度的变化。计算结果如图3所示。

图3 回填混凝土不同高度下前10阶频率比较图

由图3可以看出回填混凝土的高度对结构的自振特性有一定影响，随着塔背回填混凝土高度的降低，其自振频率也随之降低。前4阶频率随回填混凝土高度的下降变化幅度不大。从第5阶到第10阶频率开始，当回填混凝土高度下降到比原先减少接近一半时，频率降低较为明显。当回填混凝土高度从58 m降低到50 m时，其第6 阶频率降低了11%，第10 阶频率降低了8%。当回填混凝土从50 m降低到42 m时，第5阶频率降低了22%。回填混凝土高度的降低导致塔体整体刚度也随之降低，但对进水塔的前4阶基频影响不大，后6阶频率在回填混凝土距离降低至原来1/2时有明显变化。

4.2 塔间连接梁面积变化对进水塔自振特性的影响

保持梁的高宽比不变，宽度处依次增加0.1 m，计算分析结构自振特性受梁加粗的影响。结果如图4所示。

图4 不同梁截面积下前10阶频率比较图

由图4可以看出，塔体频率与梁截面积的增加并不呈线性变化。在梁宽度增加至0.8 m，高度1.92 m 时，塔体的第9阶、第10阶频率达到了这组对比数据中得最高。当梁面积进一步增加时，塔的9阶、10阶频率开始下降。但前8阶频率随着梁截面积的增加均有提高。其中第3阶频率在梁宽0.7 m增至0.8 m时增幅最大，为7.6%。

4.3 不同梁高与回填混凝土高度的组合分析

根据回填混凝土高度对进水塔自振频率的影响规律，结合实际工程，分别选取最有利进水塔稳定性高度为74 m 和66 m两种高度。根据梁加粗对进水塔稳定性的影响，选取0.8 m 高频和1 m低频对应最大的2种面积。对以上2组数据进行交叉组合，得到4种组合。如表2所示。

表2 不同梁高与回填混凝土高度的组合表

以下是4种组合的自振频率对比分析，如表3所示。

表3 4种参数组合进水塔频率比较 /Hz

5 结 论

本文通过采用了ANSYS 附加质量算法，以某水电站进水塔为例，分析了在标准水位情况下塔背回填混凝土高度和连接梁截面积变化对进水塔自振特性的影响，得出结论如下：

(1) 回填混凝土高度越低，塔体基频越低，刚度越低。但在影响程度上，塔的前4阶频率变化较小，而后6阶频率变化较大。

(2) 梁截面积增加，使塔的前后连接更为紧密，导致自振频率增大。但当梁宽增加到0.7～0.8 m时，进一步增加梁的截面反而使塔的高阶频率有所降低，原因是进水塔在高阶频率时的振型情况比较特殊，对梁的粗细较低阶频率有相反的比例趋势。

(3) 通过4种组合的前十阶频率分析来看，分别表现出回填混凝土和梁截面积的各自变化规律。二者的组合削弱了前两阶频率的差异，但并未对后5阶频率产生较大影响。