沙灣電站2#機度汛洪水過流封蓋三維有限元計算分析

徐 駿 單智杰 喻桂成

（1.鎮(zhèn)江市工程勘測設計研究院 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.四川省水利水電勘測設計研究院 四川 成都 610072；3.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司 江蘇 揚州 225127）

1 引言

沙灣水電站工程位于四川省樂山市境內(nèi)，為大渡河干流下游梯級開發(fā)中的第一級，壩址位于大渡河沙灣區(qū)葫蘆鎮(zhèn)河段，距上游已建銅街子電站11.5km，距離樂山市城區(qū)44.5km。該工程的開發(fā)任務以發(fā)電為主，兼顧灌溉和航運功能。電站裝機容量480MW，額定水頭24.5 m，正常蓄水位432.0 m，設計引用流量2203.2m3/s，保證出力151MW，年利用小時數(shù)5015 h，年發(fā)電量24.07億kW·h?？値烊?867萬m3，正常蓄水位以下庫容4554萬m3，壩軸線長699.82 m，為一級混合式（河床式廠房加長尾水渠）開發(fā)。

大渡河沙灣水電站主體工程分兩期完成，一期包括右岸接頭壩段、廠房儲門槽壩段、廠房壩段、5孔沖沙閘，在一期圍堰保護下全年施工。二期工程包括剩余5孔泄洪閘、左岸非溢流壩，在二期圍堰保護下枯水期施工，二期圍堰設計為汛期過流圍堰，在汛期過流泄洪。在二期工程完成前利用二期圍堰擋水發(fā)電，水庫水位427.00 m，距離電站正常蓄水位432.00 m差5 m。在工程建設過程中，為確保汛期之前完成二期主體工程建設，須利用汛期前段進行二期永久防滲墻施工，因此要求在汛期盡量避免二期圍堰過水或者減少二期圍堰過水頻次，因此論證在未安裝轉(zhuǎn)輪等部件的情況下對3#機組和2#機組導水機構(gòu)進行局部封堵后利用機組流道泄洪過流。本次研究主要對2#機鋼結(jié)構(gòu)封蓋建立三維有限元整體模型，并進行三維線彈性計算，分析不同汛期洪水過流工況下封蓋的三維受力特點。

2 工況設計與基本計算參數(shù)

2.1 計算工況

沙灣水電站工程2#機度汛洪水過流封蓋為典型的圓臺型三維鋼結(jié)構(gòu)受力體系，為了深入研究設計中存在的一些技術問題，了解封蓋各部位的應力分布狀態(tài)，擬采用三維有限元法對封蓋進行計算。選取封蓋過流為汛期洪水，該工況下封蓋內(nèi)壓水頭25.21 m，無外壓，封蓋底部利用螺栓固定。

2.2 計算參數(shù)的選取

鋼材重度：γ=7.85 t/m3

鋼材泊松比：υ=0.3

鋼材彈性模量：E=2.06×105MPa

重力加速度：g=9.81m/s2

3 計算方法與軟件分析

本次計算采用國際上較為流行的大型通用有限元分析軟件ANSYS。ANSYS軟件是第一個通過ISO9001質(zhì)量認證的大型分析設計類軟件，是美國機械工程師協(xié)會（ASME）、美國核安全局（NQA）及近二十種專業(yè)技術協(xié)會認證的標準分析軟件，在國內(nèi)第一個通過了中國壓力容器標準化技術委員會認證并在國務院十七個部委推廣使用，目前在水電行業(yè)應用也較為廣泛。經(jīng)其他工程計算驗證，其精度可以滿足行業(yè)的需要[4～6]。

ANSYS軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料，可進行結(jié)構(gòu)分析（包括線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析以及多物理場的耦合分析[7～8]，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力，其計算分析功能十分強大，同時其方便易用且功能出眾的前、后處理模塊可節(jié)省大量時間。

4 計算模型及邊界條件處理

為了計算封蓋各部位應力分布，選取整個封蓋為計算模型，實體模型見圖1。整個模型剖分單元為四節(jié)點殼體單元，每個節(jié)點有UX、UY、UZ、ROT X、ROTY、ROTZ（X、Y、Z方向的平動位移；X、Y、Z方向的轉(zhuǎn)動位移）六個自由度，剖分后的網(wǎng)格圖見圖2。計算模型應用的坐標系為：由于封蓋為豎向軸對稱結(jié)構(gòu)，取對稱軸為Z軸，向上為正；X、Y平面垂直Z軸，三個坐標軸符合右手螺旋法則，坐標示意圖見圖1所示。封蓋底部固結(jié)，其余部位自由。

圖1 封蓋三維結(jié)構(gòu)模型

圖2 封蓋網(wǎng)格剖分圖

5 結(jié)果分析

為了更好地顯示封蓋上應力分布，并根據(jù)有限元計算得出的應力分布圖驗算結(jié)構(gòu)尺寸是否合理，計算中采用整體坐標系提取應力圖形，其中主拉應力（S1）為正，主壓應力（S3）為負，單位為MPa。有限元計算的結(jié)果如下：

（1）封蓋頂板頂面S1（主拉應力）、S3（主壓應力）等值線圖。

（2）封蓋頂板底面S1（主拉應力）、S3（主壓應力）等值線圖。

表1 封蓋主拉、壓應力表

圖3 封蓋頂板頂面主拉應力S1等值線圖

圖4 封蓋頂板頂面主壓應力S3等值線圖

圖5 封蓋頂板底面主拉應力S1等值線圖

圖6 封蓋頂板底面主壓應力S3等值線圖

通過對沙灣水電站工程鋼結(jié)構(gòu)封蓋進行三維有限元計算和對計算結(jié)果分析表明（如表1）：在汛期洪水過流工況下，封蓋周圍應力分布較為合理，都在材料允許應力以內(nèi)，封蓋最大拉、壓應力都出現(xiàn)在封蓋頂板與肋板焊縫處，最大拉應力為49.24 MPa，最大壓應力為42.94 MPa。

可見，在三維應力狀態(tài)下，封蓋在汛期洪水過流工況下，封蓋頂板中部和肋板焊縫連接處應力較大，但均未超出Q 235鋼板以及焊接材料的允許應力，結(jié)構(gòu)是安全的。

6 結(jié)論

論文應用ANSYS軟件進行了鋼結(jié)構(gòu)封蓋三維模型，并通過有限元分析對鋼結(jié)構(gòu)封蓋的受力情況進行模擬計算。計算結(jié)果表明在汛期洪水過流情況下，封蓋周圍應力分布較為合理，其中封蓋頂板中部和肋板焊縫連接處應力較大，但未超出材料允許應力，結(jié)構(gòu)安全。該設計滿足機組導水機構(gòu)的度汛需要，也可作為類似設計工作的參考。

[1]中華人民共和國電力行業(yè)標準.《水工建筑物荷載設計規(guī)范》（DL5077-1997）[S],中國電力出版社,1998.

[2]中華人民共和國國家標準.《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB50017-2003）[S],中國計劃出版社,2003.

[3]朱伯芳.有限單元法原理與應用(第二版)[M].北京∶水利電力出版社,1998.

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[5]徐遠杰,唐碧華.三板溪大噸位預應力中墩三維有限元分析[J].武漢大學學報(工學版),2004,(4)∶1-6.

[6]陳勇,井增虎,張雄.某水電站新型預應力閘墩三維有限元分析[J].三峽大學學報(自然科學版),2008,(4)∶11-14.

[7]馮興中,石廣斌.壩后背管結(jié)構(gòu)有限元分析探討[J].西北水電,2003,(3)∶17-19.

[8]王剛,任德記,陸美霞,張超.黃河積石峽水電站壓力管道非線性有限元分析[J].災害與防治工程,2010,(1)∶1-5.