塘口水電站廠房有限元應力分析

何練民+沈建玲

摘 要：塘口水電站新增裝機10MW，為了準確進行施工圖設計，保證工程安全前提下盡量節(jié)約投資，進行有限元應力分析，為施工圖設計提供依據(jù)。

關鍵詞：電站廠房；有限元

1.工程概況

塘口水電站位于湖北省來鳳縣漫水鎮(zhèn)，距來鳳縣城35km，是酉水河上游干流目前已開發(fā)的第二級梯級電站。酉水流域地處鄂、湘、川三省邊界處，是洞庭湖水系沅水下游左岸的一大支流。酉水發(fā)源于湖北省宣恩縣的城墻巖，源頭呈溶洞、泉水及伏流狀態(tài)，自羅谷川開始形成地表河道，自北向南縱貫來鳳縣境，從樂坪開始蜿蜒在鄂湘邊界兩側(cè)，于湖南沅陵注入沅水。河流全長407km，流域面積18530km2，河床平均坡降1.1‰。本流域地處武陵山區(qū)，屬新構造運動上升區(qū)，地面海拔高程一般在360～370m之間，區(qū)域內(nèi)氣候溫和，雨量充沛，多年平均降雨量1580.1mm，多年平均徑流深1076mm。

塘口水電站工程位于酉水河上游河段，壩址控制面積3124km2，是一座以發(fā)電為主的中型水利水電樞紐工程。主要建筑物由混凝土重力壩和廠房組成，水庫總庫容3960萬m3，最大壩高37.60m，原電站裝機15MW，3臺機組，單機5MW，電站最大引用流量96.6m3/s，設計水頭19.10m，原設計多年平均發(fā)電量8035萬kW·h。本廠房為擴機增容工程，裝機10MW，為左岸引水式電站。廠房結(jié)構形式為壩后式，其主要結(jié)構尺寸見圖1-2 。

2.計算分析基本資料

本次只對廠房水下部分進行了五種工況下的靜力計算，計算時未計入結(jié)構的動力響應。計算程序采用大型通用有限元軟件Ansys9.0。

本次計算模型建立了高程374.43m以下（發(fā)電層）部分，其以上部分荷載采用等效荷載法施加至模型上。

（1）計算工況

根據(jù)設計資料，計算共考慮5種工況：

計算工況1：正常蓄水位：上游水位389.6m；下游水位367.40 m；

計算工況2：正常運轉(zhuǎn)時突然三相短路。在工況1的基礎上加扭矩205t*m；

計算工況3：50年一遇設計洪水位：上游水位391.61 m；下游水位384.16 m；

計算工況4：500年一遇校核洪水位：上游水位394.45 m；下游水位387.94m；

計算工況5：建成時上下游均無水。

（2）建模

本模型建模x方向為上下游方向；Y方向為模型高程方向；z方向為與壩軸線平行方向。模型全部采用實體單元，包括一次單元solid45和二次單元solid92。本模型共包含單元281490個，節(jié)點193730個，單元尺寸控制在0.6m左右。

（3）材料參數(shù)選取

根據(jù)設計資料，模型中共采用了3種材料，其計算參數(shù)取值如下表。

3.邊界條件及荷載施加

（1）邊界條件施加

根據(jù)設計資料，在所有工況下，邊界約束條件為：模型底部約束Y方向；上下游約束x方向；與壩軸線平行方向約束z方向。

（2）荷載施加

計算工況1：正常蓄水位上游389.6；下游367.40?？紤]內(nèi)水壓力、發(fā)電機下機蓋部分則轉(zhuǎn)換成面壓力、定子基礎荷載轉(zhuǎn)換成面壓力、高程374.43m以上墻體重量轉(zhuǎn)換成面荷載、揚壓力轉(zhuǎn)換成面荷載、出水口水壓力

計算工況2：正常運轉(zhuǎn)時突然三相短路。考慮在定子基礎處加扭矩205t*m。加載時，扭矩轉(zhuǎn)換成兩對大小相等，方向相反的力加到定子基礎上，其余荷載同計算工況1。

計算工況3：50年一遇設計洪水位：上游水位391.61m； 下游水位384.16m?？紤]內(nèi)水壓力計算、發(fā)電機下機蓋部分、定子基礎荷載、高程374.43m以上墻體重量、防洪墻受下游水壓力、揚壓力。

計算工況4：500年一遇校核洪水位：上游水位394.45m，下游水位387.94m?？紤]防洪墻受下游水壓力，其余荷載同計算工況3。

計算工況5：建成時上下游均無水，考慮結(jié)構重力效應。

4.計算結(jié)果

五種工況下計算結(jié)果見下表

5.工況4拉應力等值線圖

對照計算結(jié)果，列出工況4等值線圖。

（1）控制截面如下圖所示

（2）圖號說明：

圖號2-SZ-Y1-1表示：工況2作用下Y1剖面的Z方向應力等值線圖第1張。

（3）等值線圖：

X方向應力等值線圖：X方向最大拉應力為1.15Mpa，最大壓應力為2.87Mpa。截取通過最大應力點的三個方向的剖面，其應力等值線圖如圖5-圖10所示。

Y方向應力等值線圖：Y方向最大拉應力為2.81Mpa，最大壓應力為3.01Mpa。截取通過最大應力點的三個方向的剖面，其應力等值線圖如圖11-圖15所示。

Z方向應力等值線圖：Z方向最大拉應力為1.06Mpa，最大壓應力為1.85Mpa。截取通過最大應力點的三個方向的剖面，其應力等值線圖如圖16-圖20所示。

6.結(jié)果分析

（1）在五種工況下，結(jié)構的應力最大值為：X方向1.18Mpa（工況1和工況2）；Y方向2.81Mpa（工況4）； Z方向1.45Mpa（工況2）。

（2）結(jié)構在五種工況下，X方向的應力基本相同，且最大應力發(fā)生的位置完全相同。這主要是因為該方向最大應力發(fā)生位置遠離水壓作用區(qū)，受水壓影響可以忽略，其值的產(chǎn)生主要是重力的作用效應。

（3）計算結(jié)果表明，在工況1和工況2下，結(jié)構方向應力除Z方向略有不同外，其余基本一致，且應力最大位置發(fā)生在同一位置。所以可以把這兩種工況合并為一種考慮。

（4）工況3和工況4均為校核水位，但比較得知結(jié)構在工況4時各方向應力均大于工況3對應的方向應力，因此本報告僅以工況4作計算結(jié)果分析，而不考慮工況3下的應力結(jié)果，對工況3的計算結(jié)果僅提供應力云圖供設計參考。

（5）工況5為結(jié)構在自重作用下的效應，應力值很小且不控制設計。

（6）按照計算應力圖形，作為配筋計算依據(jù)。

摘 要：塘口水電站新增裝機10MW，為了準確進行施工圖設計，保證工程安全前提下盡量節(jié)約投資，進行有限元應力分析，為施工圖設計提供依據(jù)。

關鍵詞：電站廠房；有限元

1.工程概況

塘口水電站位于湖北省來鳳縣漫水鎮(zhèn)，距來鳳縣城35km，是酉水河上游干流目前已開發(fā)的第二級梯級電站。酉水流域地處鄂、湘、川三省邊界處，是洞庭湖水系沅水下游左岸的一大支流。酉水發(fā)源于湖北省宣恩縣的城墻巖，源頭呈溶洞、泉水及伏流狀態(tài)，自羅谷川開始形成地表河道，自北向南縱貫來鳳縣境，從樂坪開始蜿蜒在鄂湘邊界兩側(cè)，于湖南沅陵注入沅水。河流全長407km，流域面積18530km2，河床平均坡降1.1‰。本流域地處武陵山區(qū)，屬新構造運動上升區(qū)，地面海拔高程一般在360～370m之間，區(qū)域內(nèi)氣候溫和，雨量充沛，多年平均降雨量1580.1mm，多年平均徑流深1076mm。

塘口水電站工程位于酉水河上游河段，壩址控制面積3124km2，是一座以發(fā)電為主的中型水利水電樞紐工程。主要建筑物由混凝土重力壩和廠房組成，水庫總庫容3960萬m3，最大壩高37.60m，原電站裝機15MW，3臺機組，單機5MW，電站最大引用流量96.6m3/s，設計水頭19.10m，原設計多年平均發(fā)電量8035萬kW·h。本廠房為擴機增容工程，裝機10MW，為左岸引水式電站。廠房結(jié)構形式為壩后式，其主要結(jié)構尺寸見圖1-2 。

2.計算分析基本資料

本次只對廠房水下部分進行了五種工況下的靜力計算，計算時未計入結(jié)構的動力響應。計算程序采用大型通用有限元軟件Ansys9.0。

本次計算模型建立了高程374.43m以下（發(fā)電層）部分，其以上部分荷載采用等效荷載法施加至模型上。

（1）計算工況

根據(jù)設計資料，計算共考慮5種工況：

計算工況1：正常蓄水位：上游水位389.6m；下游水位367.40 m；

計算工況2：正常運轉(zhuǎn)時突然三相短路。在工況1的基礎上加扭矩205t*m；

計算工況3：50年一遇設計洪水位：上游水位391.61 m；下游水位384.16 m；

計算工況4：500年一遇校核洪水位：上游水位394.45 m；下游水位387.94m；

計算工況5：建成時上下游均無水。

（2）建模

本模型建模x方向為上下游方向；Y方向為模型高程方向；z方向為與壩軸線平行方向。模型全部采用實體單元，包括一次單元solid45和二次單元solid92。本模型共包含單元281490個，節(jié)點193730個，單元尺寸控制在0.6m左右。

（3）材料參數(shù)選取

根據(jù)設計資料，模型中共采用了3種材料，其計算參數(shù)取值如下表。

3.邊界條件及荷載施加

（1）邊界條件施加

根據(jù)設計資料，在所有工況下，邊界約束條件為：模型底部約束Y方向；上下游約束x方向；與壩軸線平行方向約束z方向。

（2）荷載施加

計算工況1：正常蓄水位上游389.6；下游367.40?？紤]內(nèi)水壓力、發(fā)電機下機蓋部分則轉(zhuǎn)換成面壓力、定子基礎荷載轉(zhuǎn)換成面壓力、高程374.43m以上墻體重量轉(zhuǎn)換成面荷載、揚壓力轉(zhuǎn)換成面荷載、出水口水壓力

計算工況2：正常運轉(zhuǎn)時突然三相短路?？紤]在定子基礎處加扭矩205t*m。加載時，扭矩轉(zhuǎn)換成兩對大小相等，方向相反的力加到定子基礎上，其余荷載同計算工況1。

計算工況3：50年一遇設計洪水位：上游水位391.61m； 下游水位384.16m?？紤]內(nèi)水壓力計算、發(fā)電機下機蓋部分、定子基礎荷載、高程374.43m以上墻體重量、防洪墻受下游水壓力、揚壓力。

計算工況4：500年一遇校核洪水位：上游水位394.45m，下游水位387.94m?？紤]防洪墻受下游水壓力，其余荷載同計算工況3。

計算工況5：建成時上下游均無水，考慮結(jié)構重力效應。

4.計算結(jié)果

五種工況下計算結(jié)果見下表

5.工況4拉應力等值線圖

對照計算結(jié)果，列出工況4等值線圖。

（1）控制截面如下圖所示

（2）圖號說明：

圖號2-SZ-Y1-1表示：工況2作用下Y1剖面的Z方向應力等值線圖第1張。

（3）等值線圖：

X方向應力等值線圖：X方向最大拉應力為1.15Mpa，最大壓應力為2.87Mpa。截取通過最大應力點的三個方向的剖面，其應力等值線圖如圖5-圖10所示。

Y方向應力等值線圖：Y方向最大拉應力為2.81Mpa，最大壓應力為3.01Mpa。截取通過最大應力點的三個方向的剖面，其應力等值線圖如圖11-圖15所示。

Z方向應力等值線圖：Z方向最大拉應力為1.06Mpa，最大壓應力為1.85Mpa。截取通過最大應力點的三個方向的剖面，其應力等值線圖如圖16-圖20所示。

6.結(jié)果分析

（1）在五種工況下，結(jié)構的應力最大值為：X方向1.18Mpa（工況1和工況2）；Y方向2.81Mpa（工況4）； Z方向1.45Mpa（工況2）。

（2）結(jié)構在五種工況下，X方向的應力基本相同，且最大應力發(fā)生的位置完全相同。這主要是因為該方向最大應力發(fā)生位置遠離水壓作用區(qū)，受水壓影響可以忽略，其值的產(chǎn)生主要是重力的作用效應。

（3）計算結(jié)果表明，在工況1和工況2下，結(jié)構方向應力除Z方向略有不同外，其余基本一致，且應力最大位置發(fā)生在同一位置。所以可以把這兩種工況合并為一種考慮。

（4）工況3和工況4均為校核水位，但比較得知結(jié)構在工況4時各方向應力均大于工況3對應的方向應力，因此本報告僅以工況4作計算結(jié)果分析，而不考慮工況3下的應力結(jié)果，對工況3的計算結(jié)果僅提供應力云圖供設計參考。

（5）工況5為結(jié)構在自重作用下的效應，應力值很小且不控制設計。

（6）按照計算應力圖形，作為配筋計算依據(jù)。

摘 要：塘口水電站新增裝機10MW，為了準確進行施工圖設計，保證工程安全前提下盡量節(jié)約投資，進行有限元應力分析，為施工圖設計提供依據(jù)。

關鍵詞：電站廠房；有限元

1.工程概況

塘口水電站位于湖北省來鳳縣漫水鎮(zhèn)，距來鳳縣城35km，是酉水河上游干流目前已開發(fā)的第二級梯級電站。酉水流域地處鄂、湘、川三省邊界處，是洞庭湖水系沅水下游左岸的一大支流。酉水發(fā)源于湖北省宣恩縣的城墻巖，源頭呈溶洞、泉水及伏流狀態(tài)，自羅谷川開始形成地表河道，自北向南縱貫來鳳縣境，從樂坪開始蜿蜒在鄂湘邊界兩側(cè)，于湖南沅陵注入沅水。河流全長407km，流域面積18530km2，河床平均坡降1.1‰。本流域地處武陵山區(qū)，屬新構造運動上升區(qū)，地面海拔高程一般在360～370m之間，區(qū)域內(nèi)氣候溫和，雨量充沛，多年平均降雨量1580.1mm，多年平均徑流深1076mm。

塘口水電站工程位于酉水河上游河段，壩址控制面積3124km2，是一座以發(fā)電為主的中型水利水電樞紐工程。主要建筑物由混凝土重力壩和廠房組成，水庫總庫容3960萬m3，最大壩高37.60m，原電站裝機15MW，3臺機組，單機5MW，電站最大引用流量96.6m3/s，設計水頭19.10m，原設計多年平均發(fā)電量8035萬kW·h。本廠房為擴機增容工程，裝機10MW，為左岸引水式電站。廠房結(jié)構形式為壩后式，其主要結(jié)構尺寸見圖1-2 。

2.計算分析基本資料

本次只對廠房水下部分進行了五種工況下的靜力計算，計算時未計入結(jié)構的動力響應。計算程序采用大型通用有限元軟件Ansys9.0。

本次計算模型建立了高程374.43m以下（發(fā)電層）部分，其以上部分荷載采用等效荷載法施加至模型上。

（1）計算工況

根據(jù)設計資料，計算共考慮5種工況：

計算工況1：正常蓄水位：上游水位389.6m；下游水位367.40 m；

計算工況2：正常運轉(zhuǎn)時突然三相短路。在工況1的基礎上加扭矩205t*m；

計算工況3：50年一遇設計洪水位：上游水位391.61 m；下游水位384.16 m；

計算工況4：500年一遇校核洪水位：上游水位394.45 m；下游水位387.94m；

計算工況5：建成時上下游均無水。

（2）建模

本模型建模x方向為上下游方向；Y方向為模型高程方向；z方向為與壩軸線平行方向。模型全部采用實體單元，包括一次單元solid45和二次單元solid92。本模型共包含單元281490個，節(jié)點193730個，單元尺寸控制在0.6m左右。

（3）材料參數(shù)選取

根據(jù)設計資料，模型中共采用了3種材料，其計算參數(shù)取值如下表。

3.邊界條件及荷載施加

（1）邊界條件施加

根據(jù)設計資料，在所有工況下，邊界約束條件為：模型底部約束Y方向；上下游約束x方向；與壩軸線平行方向約束z方向。

（2）荷載施加

計算工況1：正常蓄水位上游389.6；下游367.40。考慮內(nèi)水壓力、發(fā)電機下機蓋部分則轉(zhuǎn)換成面壓力、定子基礎荷載轉(zhuǎn)換成面壓力、高程374.43m以上墻體重量轉(zhuǎn)換成面荷載、揚壓力轉(zhuǎn)換成面荷載、出水口水壓力

計算工況2：正常運轉(zhuǎn)時突然三相短路?？紤]在定子基礎處加扭矩205t*m。加載時，扭矩轉(zhuǎn)換成兩對大小相等，方向相反的力加到定子基礎上，其余荷載同計算工況1。

計算工況3：50年一遇設計洪水位：上游水位391.61m； 下游水位384.16m?？紤]內(nèi)水壓力計算、發(fā)電機下機蓋部分、定子基礎荷載、高程374.43m以上墻體重量、防洪墻受下游水壓力、揚壓力。

計算工況4：500年一遇校核洪水位：上游水位394.45m，下游水位387.94m?？紤]防洪墻受下游水壓力，其余荷載同計算工況3。

計算工況5：建成時上下游均無水，考慮結(jié)構重力效應。

4.計算結(jié)果

五種工況下計算結(jié)果見下表

5.工況4拉應力等值線圖

對照計算結(jié)果，列出工況4等值線圖。

（1）控制截面如下圖所示

（2）圖號說明：

圖號2-SZ-Y1-1表示：工況2作用下Y1剖面的Z方向應力等值線圖第1張。

（3）等值線圖：

X方向應力等值線圖：X方向最大拉應力為1.15Mpa，最大壓應力為2.87Mpa。截取通過最大應力點的三個方向的剖面，其應力等值線圖如圖5-圖10所示。

Y方向應力等值線圖：Y方向最大拉應力為2.81Mpa，最大壓應力為3.01Mpa。截取通過最大應力點的三個方向的剖面，其應力等值線圖如圖11-圖15所示。

Z方向應力等值線圖：Z方向最大拉應力為1.06Mpa，最大壓應力為1.85Mpa。截取通過最大應力點的三個方向的剖面，其應力等值線圖如圖16-圖20所示。

6.結(jié)果分析

（1）在五種工況下，結(jié)構的應力最大值為：X方向1.18Mpa（工況1和工況2）；Y方向2.81Mpa（工況4）； Z方向1.45Mpa（工況2）。

（2）結(jié)構在五種工況下，X方向的應力基本相同，且最大應力發(fā)生的位置完全相同。這主要是因為該方向最大應力發(fā)生位置遠離水壓作用區(qū)，受水壓影響可以忽略，其值的產(chǎn)生主要是重力的作用效應。

（3）計算結(jié)果表明，在工況1和工況2下，結(jié)構方向應力除Z方向略有不同外，其余基本一致，且應力最大位置發(fā)生在同一位置。所以可以把這兩種工況合并為一種考慮。

（4）工況3和工況4均為校核水位，但比較得知結(jié)構在工況4時各方向應力均大于工況3對應的方向應力，因此本報告僅以工況4作計算結(jié)果分析，而不考慮工況3下的應力結(jié)果，對工況3的計算結(jié)果僅提供應力云圖供設計參考。

（5）工況5為結(jié)構在自重作用下的效應，應力值很小且不控制設計。

（6）按照計算應力圖形，作為配筋計算依據(jù)。