某水电站闸室及坝顶结构静动力分析

摘要： 某水电站采用河床式开发，挡水建筑物为闸坝，闸墩高60.5 m，厚度仅为5 m。泄洪闸闸墩顶部布置启闭机排架，启闭机高达26.5 m。排架属于高耸结构，在遭遇地震时，启闭机排架将出现较大的地震响应，可能造成结构损害，从而影响工程安全。为研究方案是否可行，对泄洪闸闸墩、闸顶高排架进行三维有限元静、动力分析。为类似结构设计提供参考。

关键词：水电站" 闸坝" 排架" 静动力分析

Static and Dynamic Analysis of the Gate Chamber and Dam Crest Structure of a Certain Hydropower Station

LI Xinyi" XU Yunquan

Power China Kunming Engineerig Corporation Limited， Kunming，Yunnan Province， 650000 China

Abstract：A certain hydropower station adopts riverbed development， with a water retaining structure of a gate dam， a gate pier height of 60.5 meters， and a thickness of only 5 meters. The top of the flood discharge gate pier is equipped with a hoist rack， with a height of up to 26.5m. The rack belongs to a high-rise structure， and in the event of an earthquake， the rack will experience significant seismic response， which may cause structural damage and affect engineering safety. To investigate the feasibility of the proposed plan， a three-dimensional finite element static and dynamic analysis was conducted on the spillway gate pier and gate top height bracket， providing reference for similar structural designs.

Key Words： Hydropower station; Gate dam; Rack; Static and dynamic analysis

水闸是水利水电工程中常用的一种挡水、泄水建筑物。多应用在航电枢纽泄洪，水电站溢洪道控制段，河道上控制流量以满足灌溉、引水、排水等功能。据相关部门统计，在已完成安全检测鉴定的水闸工程中，安全水闸仅为53%，常见的破坏形式有闸墩裂缝、不均匀变形导致伸缩缝破坏等。某工程因为闸墩刚度不足，导致闸门无法正常提起运行，某水电站闸门因启闭机排架出现裂缝导致不能正常泄水。水闸闸室结构的稳定关系到整个枢纽建筑物的安全、稳定运行。因此，研究闸室及其顶部的排架应力、变形对工程的安全、稳定运行具有十分重要的意义。

1 工程概况

某水电站工程装机20万kW，根据相关规范属Ⅱ等大（2）工程。电站采用河床式开发，主要建筑物为两岸非溢流重力坝、泄洪闸、河床式厂房、单线单级船闸等。

本工程的特点是泄洪建筑物规模大。泄水建筑物由6孔泄洪闸15 m​19.5 m（宽高）、3个泄水冲沙闸15 m19.5 m（宽高）组成。闸孔从上至下依次布置检修门、工作门、检修门，闸门均采用平板钢闸门。闸门的启闭均采用布置在闸顶的启闭机。闸顶工程600 m，闸墩高40 m，厚5 m。闸墩顶部的排架高26.5 m。工程的泄水建筑物详如图1所示。

2" 有限元模型构建

2.1" 有限元模型

在动力有限元分析中，闸门和闸墩处的动水效应按照水体不可压缩假定[1-3]，将地震动水压力用韦斯特伽特公式折算为附加质量[4-6]。考虑到整体计算模型中，闸墩和上部结构的刚度特性差异，同时考虑顺河向、横河向的水平地震作用和竖向地震作用，为提高计算精度和速度，计算模型分成对称和反对称两组。顺河向地震、竖向地震及静力荷载作为对称荷载加在对称模型上，而横河向地震荷载作为反对称荷载加在反对称模型上。

建立坐标系，X方向为顺河向，指向下游为正，Y方向为横河向，指向左岸为正，Z方向为竖向，向上为正。地基的计算范围：底板后沿向上游延伸120 m，底板前沿向下游方向延伸120 m，底部水平边界面距闸底板表面120 m。FEM网格如图2所示。

2.2" 材料参数

闸墩排架混凝土采用C25混凝土，闸墩中部采用采用C20混凝土，闸墩表层采用C30混凝土。闸墩各部位混凝土及地基参数详如表1所示。

3 泄水闸坝段静动力分析

3.1 坝体动力特性

在动力法分析中，对称性模型和反对称模型各取30阶，自振频率及各阶频率振型参与系数如表2、表3所示。可以看到，由于横河向的刚度小于顺河向的刚度，横河向自振频率要小于顺河向自振频率。

3.2" 闸墩应力计算成果分析

闸室的应力最大值及发生部位如表4所示。在正常蓄水位工况下，9#闸坝坝段除闸墩顶部和门槽处产生了不利的拉应力集中外，其余位置基本均处于压应力状态。闸墩最小主应力分别在下游闸墩与底板交接处，值为-6.33 Mpa，但范围较小，在设计中可采用高标号混凝土解决此处的压应力问题。

“正常+顺河向地震+竖向地震”工况下，顺河向应力：最大拉应力出现在闸墩顶部下游检修门槽消弱部位，数值为1.27 MPa，分布范围很小；最大压应力在闸墩下游底部与底板交接处，数值为-2.80 MPa，分布范围也很小，为沿下游闸墩圆弧处的小条带。横河向应力：最大拉应力在下游闸底板，数值为0.85 MPa；最大压应力在闸墩下游底部，数值为-2.12 MPa。竖直向应力：最大拉应力在闸墩顶部，数值为0.93 MPa；最大压应力在闸墩下游底部，数值为-7.25 MPa。第一主应力：最大主拉应力出现在下游检修门槽顶部，数值为1.29 MPa。第三主应力：闸墩最大压应力出现在闸墩下游底部，数值为-7.32 MPa。

“正常+横河向地震+竖向地震”工况下，顺河向应力：计算最大拉应力出现在闸墩顶部，数值为1.05 MPa；最大压应力出现在闸墩下游底部，数值为-2.24 MPa。横河向应力：计算最大拉应力出现在下游闸底板，数值为0.70 MPa；闸墩最大压应力出现在下游检修门槽与闸底板结合处，数值为-2.04 MPa。竖直向地震：计算最大拉应力出现在闸墩顶部，数值为1.09 MPa；最大压应力出现在闸墩下游底部，数值为-6.18 MPa。第一主应力：最大主拉应力出现在闸墩顶部，数值为2.34 MPa。第三主应力：最大压应力出现在闸墩下游底部，数值为-6.37 MPa。

应力计算结果显示，正常运行工况：闸墩大部分混凝土抗拉、抗压强度均能满足规范要求。压应力大值出现在泄洪闸闸墩与闸室底板交汇处下游局部区域，该局部区域使用C30混凝土可以满足规范要求。“正常+顺河向地震+竖向地震”：闸墩各部位主拉应力值、主应力值均混凝土强度满足规范要求。“正常+横河向地震+竖向地震”：除最大主应力外，闸墩各部位主拉应力、主压应力值、最小主应力值，均小于动态混凝土强度限值。在“正常+横河向地震+竖向地震”工况下，最大主应力值2.34 MPa出现在闸墩下游顶部，大于1.6 MPa，但最大主应力分布范围很小，且该部位各个方向正拉应力均不超过1.1 MPa，可通过局部配筋解决。

3.3" 闸室位移结果分析

9#闸坝坝段闸室各工况的位移最大值及发生部位如表5所示。在正常蓄水位工况下，闸墩的最大顺河向位移为0.21 cm，发生在下游顶部；最大竖向位移为0.73 cm，发生在下游底部，闸墩的横河向位移非常小。

在2个设计地震荷载工况中，闸墩顺河向最大位移为0.84 cm，发生在下游闸顶；横河向最大位移为3.61 cm，发生在下游闸顶；竖向最大位移为1.06 cm，也发生在下游顶部外侧。

正常水位下，下部闸墩的水平变形均很小，不会影响闸门的开启；在2个设计地震荷载工况中，横河向地震引起的横河向位移较大，但位移出现的位置位于闸墩顶部，这是由于橄榄坝水电站闸墩上部两侧无水约束，且横河向闸墩刚度相对较低，加上地震作用的“鞭梢效应”，造成闸墩顶部有较大位移。闸墩下部位移较小。

4" 泄洪闸闸顶排架抗震设计

4.1 排架应力成果分析

上部排架的应力成果如表6所示。正常蓄水位工况下，顺河向应力：上部排架正应力的最大值（拉应力）出现在副排架台车梁与牛腿结合处，数值为2.42 MPa；最小值（压应力）出现在启闭室底中间横梁与纵梁连接处上侧，数值为-2.19 MPa。横河向应力：正应力的最大值出现在副排架台车梁端部上侧，数值为7.81 MPa；最小值出现在副排架台车梁端部下侧，数值为-9.39 MPa。竖直向应力：正应力的最大值出现在副排架柱与牛腿连接处，数值为3.27 MPa；最小值出现在主排架柱与启闭室底板梁结合处，数值为-4.98 MPa。从应力结果看，排架的混凝土抗压强度能满足要求，柱和梁的抗拉能力也可以通过配筋来满足要求。根据截面应力，根据受完截面承载力要求计算，最危险截面台车梁须配3根直径36的3级钢筋即可满足正常蓄水位工况下的承载力要求。

“正常+顺河向地震+竖向地震”工况下，顺河向应力：上部排架正应力的最大值出现在副排架台车梁与牛腿连接处，数值为10.1 MPa；最小值出现在副排架顶纵梁端部下侧，数值为-8.49 MPa。横河向应力：正应力的最大值出现在副排架台车梁与牛腿连接处，数值为12.4 MPa；最小值出现在主排架电动葫芦横梁与纵梁交接处，数值为-8.38 MPa。竖直向应力：正应力的最大值出现在副排架上游柱底部，数值为3.84 MPa，最小值出现在副排架上游柱顶端，数值为-7.45 MPa。

“正常+横河向地震+竖向地震”工况下，顺河向应力：上部排架正应力的最大值出现在副排架顶纵梁端部，数值为11.40 MPa；最小值出现在副排架顶纵梁端部上侧，数值为-11.60 MPa，但分布范围很小且应力梯度很大，应力衰减很快。横河向应力：正应力的最大值出现在主排架电动葫芦梁端部上侧，数值为9.62 MPa；最小值出现在主排架启闭室底主横梁端部下侧，数值为-8.68MPa。竖直向应力：正应力的最大值出现在副排架上游柱底部，数值为8.03 MPa；最小值出现在副排架上游柱底部，数值为-10.50 MPa。

设计地震工况下，上部排架的压应力计算值，除了副排架顶纵梁端部值接近允许值11.13 MPa外，其余均小于允许值。上部排架拉应力计算值，虽然超过允许值2.07 MPa，但是通过配筋可以满足抗拉强度要求。根据应力计算结果选取地震时出现最大拉应力值的台车梁断面进行配筋计算，计算表明在地震工况下，台车梁需配6根直接36的3级钢筋，才能满足受弯承载力要求。

上部排架的应力：各工况下，闸墩顶部的启闭机排架结构梁端部均出现应力超过混凝土抗拉强度。通过局部加强配筋可满足相关规范要求。

4.2" 排架位移成果分析

9#闸坝坝段上部排架各工况的位移最大值及发生部位如表7所示。正常蓄水位工况下，上部排架的最大顺河向位移为0.30 m，发生在主排架顶层梁中部；最大竖向位移为1.49 cm，发生在副排架台车梁中部，小于3.75 cm满足规范的挠度要求；上部排架的横河向位移最大值仅为0.06 cm，结果表明，静荷载下排架的位移不大。

在2个设计地震荷载工况中，上部排架顺河向最大位移为8.04 m，发生在副排架台车梁中部，横河向最大位移为6.57 cm，发生在下游主排架柱顶部，竖向最大位移为2.44 cm， 发生在副排架台车梁中部。

从位移结果可知：地震引起的最大位移为顺河向地震时台车梁中部的顺河向位移，这是由于将副排架台车的质量加在梁中间部位后，引起的惯性力所致。因此，除了增加配筋可以提高梁的刚度，减少位移外，台车在不运行时，宜放在梁端靠柱的部位，对应力和位移都有改善。

5 结语

通过对闸墩及闸墩顶部排架进行静力与动力分析计算，结构应力满足要求。各工况下闸墩最大压应力为7.32 MPa，最大拉应力为2.34 MPa，均出现在闸墩下游底部，局部超标应力可通过配筋解决。顶部排架最大压应力为11.6 MPa，最大拉应力为12.4 MPa，局部超标应力可通过配筋解决。

参考文献

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