基于三维有限元法在BLK水电站主厂房承载力分析中的研究应用

孙 宾

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

本电站厂房的突出特点是建在砂砾石软基上，地基的承载力较低，在自重和地震等荷载作用下，地基承载力必须满足要求，地基的绝对沉降和机组段间、机组段与安装间之间的不均匀沉降可能较为突出，可能对结构安全和机组及吊车设备的正常运行产生不利影响。地震情况下，结构的强度、刚度和抗震安全性也需要加以重点复核。在深入研究论证的基础上，对地基强度和结构安全作出科学评价，并为厂房的地基加固处理和厂房结构抗震设计提供可靠依据和可行性建议。

1 工程概况

布仑口-公格尔水电站工程位于新疆阿克陶县境内，电站装机容量200 MW，多年平均年发电量6.39×108kW·h，最大运行水头为665.35 m，主厂房尺寸68.75 m×20.5 m×36.55 m(长×宽×高)，机组间距13.5 m。发电机层高程2 640.34 m，机组安装高程为2 630.34 m，水轮机层高程为2 632.14 m，厂房底板高程2 624.29 m。厂房抗震设防烈度为Ⅷ度，厂房尺寸见图1、图2。

图1 主厂房横剖面图

图2 主厂房纵剖面图

2 计算模型及网格剖分

本工程考虑实际情况，将电站厂房结构进行适当简化，取边机组段厂房与安装间的有限元模型进行整体结构分析。计算以弹性结构力学和结构动力学理论为基础，采用通用ANSYS程序进行分析。

布伦口水电站主厂房的主要特点是以地下大体积混凝土结构为主，上下游面受上游副厂房和尾水副厂房边墙和各层楼板的支撑作用，底部受基础的约束作用，内部有机墩、蜗壳等大体积混凝土结构及楼板、墙体、立柱等结构，上部是上下游墙、立柱、屋架等组成的框架结构。喷嘴式蜗壳(配水环管)钢板等的局部加强作用在厂房整体分析中可予以忽略。对主厂房，尽量按施工图建立模型，忽略一些细部的结构，边机组有限元计算模型见图3。计算模型包括主厂房边机组段和安装间段，两者之间设置有结构缝，一起建模是为了分析不同结构形式间的相对位移和相互影响。

图3 边机组有限元模型

动力计算时，混凝土动弹模取为静弹模的1.3倍。

在三维有限元静动力计算的模型中，主要采用4种单元类型：

1) 8节点块体单元：用于机墩、蜗壳、尾水管等水下结构。

2) 板壳单元：用于楼板、墙体、风罩等厚度相对较薄的部位。

3) 三维梁、柱单元：用于厂房立柱及上部框架连杆。

4) 质量单元：用于模拟厂房顶部的屋架重量等集中质量体。

此外，在模型局部采用四面体实体单元、三角形壳单元作为过渡单元。

计算模型的总体坐标系取Z轴为垂直竖向，以2 630.34高程(安装高程)处为原点，向上为正。X轴与Y轴为水平坐标，以机组中心为原点，X轴为纵向，正方向指向左侧；Y轴为横向，正方向指向上游侧。

依据给出的各项荷载施加到结构相应部位，进行结构的静动力特性分析。地震响应计算采用反应谱法进行计算，其中峰值加速度为0.26 g，并按照0.35的折减系数进行承载力复核，场地特征周期取为0.40 s，设计反应谱最大值取为2.25。同时分别计算顺河向、横河向、竖向地震单独作用下结构的震动反应，其中横河向和顺河向的加速度幅值相同，竖向地震的加速度幅值采用横河向的2/3进行计算。

3 计算方法及材料参数选择

由于电站主厂房的结构非常复杂，数值计算分析利用有限单元法进行。该方法计算的通用性和可靠性较好，计算的基础参数见表1。

表1 基础参数

4 结果分析

4.1 静力计算结果分析

结合计算结果提取结构在5个高程、横河向不同位置处的位移值，见表2。

表2 静态荷载作用下结构位移 /m

混凝土梁柱结构不同高程处上游侧竖向位移沿纵向分布见图4。

注：高程处1，2，3，4，5分别代表高程2 655.34、2 650.84、2 645.54、2 640.34和2 632.14 m；主厂房、安装间对应的1、2、3、4分别表示4根柱位置处的位移，安装间编号为安装间最左侧为4，依次向右侧递减，主机间编号为主机间最左侧为4，依次向右侧递减。

由计算结果可以看出，结构的竖向位移整体上大于其他两个方向的位移值，最大值达37.2 mm，说明来自结构自重等竖向荷载产生的作用效应表现最为明显；对比图4中3个图可以看出，在各项静态荷载作用下，主厂房、安装间结构整体向中间结构缝处倾斜；结构不同高程处的沉降规律基本一致，主要表现为从外侧向内侧倾斜；结构缝处主厂房和安装间之间沉降的数值也处于同一水平。

4.2 地基承载力复核分析

地基特征点分布见图5。

图5 地基特征点分布图

静态荷载作用下各特征点处竖向应力值见表3。从表3可以看出，结构在各项静荷载作用下，地基局部位置处较小范围内的应力值达510 kPa，略大于地基承载力500 kPa，但属于角缘的应力集中现象；表3中特征点6和特征点8处的竖向应力值为412和393 kPa，均小于地基承载力。

表3 静力荷载作用下地基特征点竖向应力 /kPa

从横河向地震荷载作用下地基应力云图、顺河向地震荷载作用下地基应力云图和竖向地震荷载作用下地基应力云图中可以反映出，结构在各方向地震荷载单独作用下，地基竖向应力值均小于地基允许承载力500 kPa，其中竖向应力最大值发生在横河向地震荷载作用下为121 kPa；顺河向地震荷载作用下为86 kPa，竖向地震荷载作用下为93 kPa。

地震工况与静力荷载的组合作用见表4，静态作用下的竖向应力个别点的竖向应力，已经达到400 kPa，比较接近于允许承载力。单方向水平地震作用所产生的竖向应力最大为121 kPa。按照水平地震作用效应的平方和开方再与0.5倍竖向地震作用效用进行叠加的原则，计算得到三向地震作用下的综合地震动作用效应，最大值为157.9 kPa，出现在典型点4，与静力作用效应进行叠加。总体上评价地基整体的承载力是满足要求的，在局部地区(如4号点、6号点和8号特征点附近，即地基边缘和结构分缝下游等位置)竖向应力会超过地基允许承载力(500 kPa)，不能够完全满足地基承载力复核要求，但超出的幅度有限，且高应力区的范围很小。

表4 地基各特征点的竖向应力 /kPa

5 结 论

结构在静态荷载作用下，地基一定范围内(主要是地基基础的边缘)的竖向应力大于地基基础允许承载力(500 kPa)；各向地震荷载单独作用下，基础竖向应力值较小，可以满足承载力要求；但若考虑静态荷载与地震的组合作用，则地基基础部分区域的竖向应力将超过地基允许承载力，但超限的幅度很小，超限范围区域也很小。综合分析认为，由于厂房的重量相对较轻，大部分区域的竖向应力可以满足地基承载力要求，但局部区域不能完全满足承载强度要求。本工程厂房地基的允许承载力指标相对较低，安全裕度不高，主厂房基础采用固结灌浆，以提高地基的承载力强度，同时也对增强地基的防渗能力、提高地基的抗液化性能、降低地基沉降和不均匀变形有利。