高海拔寒冷地区某水电站泄洪洞进水塔抗震安全分析

姚英全,李 超,李跃涛,王 伟

(1.西藏开发投资集团有限公司,拉萨 850000;2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

水电站建筑物中，泄洪洞进水塔结构为重要建筑物，进水塔自身的结构安全，保证水电站泄洪功能的实现。关于进水塔抗震安全分析的相关研究成果较多，石广斌认为塔体底部与地基之间的接触面应避免使用接触单元，减小抗震计算模型误差[1]；邵明磊的研究表明反应谱法计算的抗震侧向稳定系数较拟静力法偏大[2]；程琦认为塔后回填混凝土和塔间连系梁对塔体前5阶自振频率有较大影响[3]；郭浩洋对某进水塔顶部排架结构进行了分析研究[4]；但尚无关于在高海拔寒冷地区的进水塔抗震分析文献，此种特殊环境的进水塔，塔身运行期容易受到库水表面冰压力作用，且高海拔地区重力加速度受海拔高度的影响容易被忽略。本文以高海拔寒冷地区某水电站泄洪洞进水塔为例，考虑高海拔对重力加速度的影响以及寒冷地区水库库周冰层对塔体的冰压力作用，进行了抗震安全分析，为进水塔抗震安全分析提供借鉴案例。

1 工程概况

某水电站位于西藏海拔3 500.00 m以上的高海拔寒冷地区，地势高，气候寒冷干燥，昼夜温差大，冰雪期长。工程规模为Ⅰ等大(1)型工程，泄洪洞进水塔为1级建筑物，抗震设计烈度为Ⅶ度，场地类别为Ⅰ类，设计地震加速度的概率水准为100年超越概率2%，加速度峰值0.239g。

泄洪洞布置于左岸溢洪道左侧，为有压泄洪洞型式，建筑物由进水塔、压力隧洞、工作闸门室、无压隧洞、挑流鼻坎组成，建筑物全长930 m。泄洪洞进水口采用岸塔式，进水口顶板采用椭圆曲线，曲线方程为x2/92+y2/32=1，两侧采用椭圆曲线，曲线方程为x2/62+y2/22=1。泄洪洞进口底板高程为3 812.00 m，底板厚5.0 m，塔顶高程3 897.00 m，塔高90 m，塔宽23 m，顺水流方向长度15.0 m。进水塔内设有事故检修门一道，事故检修门孔口尺寸7.0 m×9.0 m(宽×高)。泄洪洞进水塔体型如图1～2。

图1 进水塔上游立视 单位：cm

图2 进水塔纵剖面 单位：cm

泄洪洞进水塔位于左岸缓坡山梁，岩性为薄层状砂质板岩，位于弱风化中部，属Ⅲ2类岩体。

2 计算模型、参数及作用组合

2.1 计算模型

地震作用时，考虑水体产生对塔体的动水压力，在塔体表面施加质量单元。围岩地基参数不考虑自身质量，弹性模量取7 GPa，泊松比取0.25。模型在3个方向均取大于200 m的范围，以反映地基对塔体动态响应特性影响[5]。地基水平向边界按法向约束，底部边界按三向约束，塔体与冰层接触部位按法向约束[6]。整体有限元模型见图3，划分网格后产生单元数105 829，节点数51 983[7]。塔体有限元模型见图4，其中塔体单元数30 778，节点数37 289[8]。坐标系采用直角坐标系，坐标原点位于进水塔底板底高程上游面的中点处，X轴正方向为塔体顺水流向，Y轴正方向为塔体左岸水平向，Z轴正方向为竖直向上方向[9]。

图3 整体有限元模型

图4 塔体有限元模型

2.2 计算参数

(1)混凝土

本次计算所采用的物理力学参数见表1[10]。

表1 混凝土参数

(2)重力加速度

该水电站地处高海拔地区，进水塔自重及地震峰值加速度与当地的重力加速度相关[11]。根据1980年大地参考系，正常重力公式为：

gφ,1980=9.780327(1+0.00530244sin2φ-0.00000585

sin22φ)

(1)

公式(1)中：φ为计算点纬度,rad。

与正常重力公式对应的随高度变化计算公式为：

(2)

经估算，高度每增加1 m，重力值减小约3.09×10-6m/s2，该水电站所在县城纬度为31.88°，海拔3 980.00 m，根据公式(1)可得出对应纬度下海拔高度为零的重力值，根据公式(2)进行海拔高度修正，可得到该水电站所在地重力加速度为9.79473 m/s2，比标准正常重力加速度9.80665 m/s2降低0.01192 m/s2。计算时，根据上述重力加速度调整。

(3)冰压力

该水电站地处寒冷地区，地势高，气候寒冷干燥，昼夜温差大，冰雪期长。计算考虑静冰压力对进水塔的影响。

据工程所在地气象资料推算，本工程库区冰盖厚度约47cm，冰层升温膨胀时作用于塔体的静冰压力见表2[12]。

表2 静冰压力计算

2.3 作用组合

进水塔的主要荷载可分为静荷载和动荷载。静荷载：自重、静水压力、冰压力、扬压力、淤沙压力、风压力、设备自重等；动荷载：地震作用、地震动水压力和地震动土压力等。地震工况考虑进水塔结构满库且库水表面冰冻状态与地震作用叠加，地震作用主要考虑塔体自身、塔顶门机、启闭机、闸门所产生的地震惯性力及动水压力。

3 计算结果与分析

3.1 自振特性分析

塔体前六阶振型情况见表3，前两阶振型见图5，塔体为窄高型高耸结构，水平两向刚度小，其中垂直水流向刚度最小，因此第一阶以垂直水流向水平振动为主，第二阶以顺水流向水平振动为主。考虑塔体受冰盖约束作用后，塔体前六阶振型并未有本质改变，分析原因在于冰盖约束作用较弱。

表3 进水塔前六阶振型特征

图5 塔体前两阶振型

3.2 地震工况结果

振型分解反应谱法只得到纯动力作用的效应，地震工况采用正常蓄水位满库且表面冰冻和地震的组合，考虑到动力计算结果已平方和开根号为正值，采用“静力+动力”和“静力-动力”两种方法组合[13]。

地震工况下，塔体结构以拉应力为主，拉应力最大值为4.90 MPa，位于塔体与3856平台相交处，由于该部位塔体截面突变，地震工况下产生了较大拉应力，且应力梯度变化较大，建议通过配筋增加承载能力。塔体结构压应力最大值为-12.41 MPa，位于底板底面左、右岸侧端部，满足C25混凝土的动态抗压强度要求。塔体主应力极值汇总见表4，主应力见图6～7。考虑加速度修正后后，塔体位移及主应力并未有大幅度减小，分析原因在于加速度修正幅度较小。

图6 塔体第一主应力S1 单位：MPa

表4 塔体主应力 /MPa

地震工况下，塔体结构位移分布均呈由塔顶至塔底、由下游至上游逐渐减小的分布规律[14]。塔体结构的垂直水流方向的位移较大，与塔体主振型为垂直水流向摆动的振动特性是一致的。塔体结构综合位移最大值为27.98 mm，位于塔顶下游侧部位。塔体结构的各向变形均不大，说明结构具有足够的刚度。塔体各向位移及总位移汇总见表5，总位移云图见图8。

图7 塔体第三主应力S3 单位：MPa

表5 塔体位移/mm

图8 塔体总位移U 单位：mm

4 结 论

(1)从地震动响应应力结果来看，地震工况下结构局部拉应力较大，主要集中在流道顶板下表面、流道底板上表面、塔体外表面，且由于塔体与平台相交处几何突变，拉应力也较大。塔体其余大部分区域的动拉应力并不大，拉应力水平低。拉应力大值出现于表层或是角部，不会对整体产生破坏性影响。考虑加速度修正后后，塔体主应力并未有大幅度减小，分析原因在于加速度修正幅度较小。

(2)从地震动响应位移结果来看，通过观察塔体在顺水流方向和垂直水流方向的变形，两个方向变形量值都不大，不会发生向岸外或左、右岸的大量运动变形。考虑加速度修正后，塔体位移并未有大幅度减小，分析原因在于加速度修正幅度较小。

(3)针对塔体结构局部体型突变处，采取边角修圆、贴坡等过渡处理，减小结构应力集中，改善塔体体型。

针对某高海拔寒冷地区泄洪洞进水塔，考虑高海拔对重力加速度的减小影响、考虑水库库周冰层对塔体的冰压力作用，进行了抗震安全分析，塔体在地震作用下，从动应力、动位移及采取的抗震构造措施来看，进水塔在地震作用下是安全的，可以满足抗震要求。