在L形地基上的官地水電站進(jìn)水口塔體施工仿真分析

彭 瑋，范書立，陳健云

(1.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072;2.大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程抗震研究所，遼寧 大連 116024)

1 前 言

官地水電站共安裝4臺機(jī)組，裝機(jī)容量4×600MW。電站進(jìn)水塔布置在雅礱江右岸竹子壩溝下游，采用具有整體穩(wěn)定性較好的岸塔式布置方式。進(jìn)水塔基礎(chǔ)為杏仁狀玄武巖。塔基巖石總體堅(jiān)硬，圍巖類別多為Ⅲ類，Ⅳ類圍巖次之，F(xiàn)2斷層及其影響帶通過2號進(jìn)水塔。在地質(zhì)條件不利于將喇叭口設(shè)在岸邊巖體內(nèi)時(shí)，采用岸塔式進(jìn)水口具有整體穩(wěn)定性好的特點(diǎn)［1］。官地進(jìn)水口塔體坐落在L形地基上，自重等荷載由水平地基與豎向地基聯(lián)合承載［2］，在使用有限元進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，需考慮不同施工階段邊界條件的變化對結(jié)構(gòu)的影響，自重的施加方式不同將直接影響計(jì)算結(jié)果。為了能夠更加真實(shí)地反映這種影響進(jìn)行了施工仿真分析。本文采用單元生死技術(shù)，依進(jìn)水口塔體的施工進(jìn)度逐層加載，保證基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)，并考慮了施工過程中的沉降變化，計(jì)算出完建時(shí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力［3］。

2 計(jì)算方法

2.1 網(wǎng)格剖分

計(jì)算選取2號進(jìn)水塔體進(jìn)行分析。為消除地基約束對進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響，計(jì)算模型包括一定范圍的地基，在順?biāo)鞣较虻鼗傞L270m，在垂直水流向地基總長430m，在豎向最厚部位厚260m，最薄部位87m。有限元模型詳細(xì)地模擬了地基各種巖體、巖層分界面、地質(zhì)構(gòu)造，以及F1和F2斷層?？紤]地基、背部回填混凝土和山體作為耦聯(lián)系統(tǒng)。整個(gè)有限元模型共劃分為50301個(gè)單元，共有53286個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中塔體部分共有37834個(gè)單元、39071個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算直角坐標(biāo)系為:順?biāo)飨驗(yàn)閤軸正向，豎直向上為y軸正向，垂直水流指向右岸為z軸正向。模型的底部和圍巖的四周均按固定邊界考慮，四周為法向約束，底部為三向全約束。計(jì)算模型見圖1、2。

2.2 材料參數(shù)

混凝土材料:底板、攔污柵邊墻及柵墩、胸墻、縱橫撐、閘門槽污柵槽二期混凝土、進(jìn)水塔身流道兩側(cè)5m范圍混凝土均采用C25混凝土，塔身流道兩側(cè)5m范圍外混凝土采用C20混凝土，基礎(chǔ)置換混凝土采用C15混凝土，其彈性模量分別取為28GPa、25.5GPa、22GPa，泊松比取 0.167，密度為 2400kg/m3。

基礎(chǔ)范圍內(nèi)四種巖體:從下至上分別是Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類巖石，變形模量分別取為 15GPa、8GPa、2GPa、1GPa，泊松比依次取為 0.225、0.275、0.325、0.35。兩條斷層穿過基礎(chǔ)，彈性模量取0.5GPa，泊松比取0.35，巖石材料密度為2500kg/m3。

2.3 施工仿真技術(shù)

圖1 2號進(jìn)水塔三維有限元計(jì)算模型

圖2 2號進(jìn)水塔塔身與F2斷層相連處示意

在施工過程中隨著施工的進(jìn)展，塔體自重將逐步施加在下部基礎(chǔ)中，這樣就不可避免地導(dǎo)致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的變形與沉降。當(dāng)澆筑某層混凝土到預(yù)定的控制高程時(shí)，沉降與施工同時(shí)進(jìn)行，施工結(jié)束時(shí)控制高程上的沉降量將為0。由于混凝土在未凝固前呈流態(tài)，不能承受剪切荷載，自重主要由下部結(jié)構(gòu)承擔(dān)，當(dāng)其凝固后與豎向地基連成一體。因此，對于L形地基上的進(jìn)水塔，塔背山體不會對施工期塔體的沉降產(chǎn)生較大的影響。常規(guī)的有限元結(jié)分析方法都是以竣工后的整體結(jié)構(gòu)作為分析對象，將自重一次性施加在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行計(jì)算。這種計(jì)算方法忽略了施工過程對結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變的影響，其結(jié)果與實(shí)際情況往往有較大的差異，且竣工后的結(jié)果不能分析施工過程中結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力和應(yīng)變［4］。

作為一個(gè)通用的大型有限元軟件，ANSYS提供了單元生死技術(shù)，可用于模擬施工過程。所謂的“單元生死”是在模型中加入或刪除材料，使模型相應(yīng)的單元處于“生”或“死”狀態(tài)。被殺死單元的單元荷載等于0，不包括在載荷向量中。同樣，被殺死單元的質(zhì)量、阻尼等特性均等于0。被殺死單元的質(zhì)量和能量不參加求解，單元的應(yīng)變始終等于0。當(dāng)死單元被重新激活時(shí)，其剛度、質(zhì)量、單元載荷等都將恢復(fù)其原始真實(shí)取值［3］。

官地進(jìn)水口塔體高43m，塔身屬于大體積混凝土，在澆筑過程中由于受澆筑能力的限制，以及混凝土溫控的影響，一般采用分層分塊澆筑。本計(jì)算采用單元生死技術(shù)對施工過程進(jìn)行仿真，將進(jìn)水塔分為10層依次從下向上澆筑。計(jì)算時(shí)首先將塔體所有單元?dú)⑺溃s束其自由度，其自由度上的荷載也賦予0，當(dāng)澆筑到某層時(shí)再將其激活，并釋放自由度。

圖3 一次施加自重下的豎向位移(m)

3 結(jié)果分析

3.1 整體位移

圖3、4為一次施加自重與分層加載情況下豎向整體位移圖。從圖3可以看出，位移從下向上逐漸增加，最大位移達(dá)到2.9cm，出現(xiàn)在塔體頂部。由于有豎向地基的約束，塔背的位移值小于縱撐的位移，塔體總體顯示向庫區(qū)傾斜變形，但這種變形與實(shí)際變形并不相符，表明一次施加自重的方法不能真實(shí)模擬實(shí)際變形。采用分層加載后，塔體的變形明顯不同。從圖4可以看出，塔頂變形最小，最大位移發(fā)生在塔身底部，約1.8mm，遠(yuǎn)小于采用一次施加自重得到的結(jié)果，表明采用單元生死模擬施工過程，塔體的變形與實(shí)際情況更為吻合。

3.2 塔背應(yīng)力

圖4 分層加載下的豎向位移(m)

圖5、6為一次施加自重與分層加載情況下塔背最大主應(yīng)力圖。塔背一側(cè)與地基連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力最大。一次施加自重情況下最大拉應(yīng)力達(dá)到了2.5MPa，施工仿真情況下最大拉應(yīng)力僅為1.5MPa，應(yīng)力水平后者明顯小于前者，可見模擬方式不同將直接影響應(yīng)力分布。在澆筑某層混凝土過程中，由于自重首先導(dǎo)致了沉降，塔體相對于豎向基礎(chǔ)向下運(yùn)動(dòng)，塔身與豎向基礎(chǔ)間產(chǎn)生剪切變形;由于流態(tài)混凝土不能承受剪力，實(shí)際中不會在塔背與地基連接處產(chǎn)生較大的應(yīng)力。采用施工仿真技術(shù)分層加載，可以消除結(jié)構(gòu)沉降引起的剪切變形影響，在上述部位的應(yīng)力有明顯的降低，與實(shí)際情況更吻合。

3.3 底板應(yīng)力

圖5 一次施加自重下的塔背最大主應(yīng)力(MPa)

圖6 分層加載下的塔背最大主應(yīng)力(MPa)

圖7、8為一次施加自重與分層加載情況下底板最大主應(yīng)力圖。由于塔背山體對塔體沉降的約束作用，在一次施加自重的情況下，塔體的自重并不完全由底板來承擔(dān)，因此底板上壓應(yīng)力要比分層加載情況的壓應(yīng)力小。同樣的原因，與一次施加自重相比，考慮分層加載后，在斷層周圍的拉應(yīng)力區(qū)范圍變大。

圖7 一次施加自重下的底板最大主應(yīng)力(MPa)

圖8 分層加載下的底板最大主應(yīng)力(MPa)

4 結(jié) 論

通過以上對比可以得出以下結(jié)論:

(1)對于坐落在L形地基上的進(jìn)水塔，采用一次施加自重的方式不能真實(shí)地反映塔體應(yīng)力，夸大了塔背山體對塔體變形的約束作用。

(2)一次性施加自重和分層多次逐步施加自重得到的塔體變形、應(yīng)力差別很大。多次分層施加增加了底板承擔(dān)自重的比例，使底板斷層周圍的拉應(yīng)力區(qū)范圍變大。因此，在用有限元進(jìn)行進(jìn)水口塔體的應(yīng)力、變形分析時(shí)，需要考慮分層施工過程。

綜上，在進(jìn)水塔有限元結(jié)構(gòu)分析中，采用施工仿真技術(shù)分層加載，可以很好地模擬塔體的施工過程，更真實(shí)地反映分層分塊澆筑的實(shí)際情況及施工過程對結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變的影響，使塔體的變形和應(yīng)力與實(shí)際情況更吻合，計(jì)算結(jié)果更合理、更真實(shí)。

［1］中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院.DL/T 5398－2007《水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》［S］.北京:中國電力出版社，2007.

［2］楊欣先，李彥碩.水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，1990.

［3］章惠冬.Ansys單元生死技術(shù)軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工中的應(yīng)用［J］.建筑施工，2008，30(9):824－833.

［4］李宗坤，何芳嬋，王建有，等.基于ANSYS土石壩施工過程仿真分析［J］.人民黃河，2007，29(8):59 －60.