猴子巖溢洪洞進水口閘室運行安全分析★

張元澤 蔣智勇 張順高

(1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072； 2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065; 3.四川省建筑科學(xué)研究院，四川 成都 610081)

猴子巖溢洪洞進水口閘室運行安全分析★

張元澤1，2蔣智勇3張順高1

(1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072；
2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065; 3.四川省建筑科學(xué)研究院，四川 成都 610081)

基于大型通用有限元軟件ANSYS，建立精細三維有限元模型模擬分析了猴子巖水電站進水口閘室在運行期不同工況作用下的應(yīng)力及變形規(guī)律,通過對比分析，找到對閘室運行起控制性作用的工況和閘室運行過程中的薄弱位置,該項研究成果對進水口閘室的設(shè)計以及閘室運行期的控制管理有重要的參考價值。

水電站，溢洪洞閘室，ANSYS，運行安全分析

0 引言

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是大渡河干流水電規(guī)劃調(diào)整推薦22級開發(fā)方案的第9個梯級電站；工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，采用堤壩式開發(fā)，樞紐建筑物由攔河壩、兩岸泄洪及放空建筑物、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)等組成[1]。

擋水和泄水建筑物設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，相應(yīng)流量7 550 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為可能最大洪水(PMF)，相應(yīng)流量9 940 m3/s。泄洪放空建筑物由1條溢洪洞、1條深孔泄洪洞、1條非常泄洪洞和1條泄洪放空洞組成。深孔泄洪洞及非常泄洪洞布置在左岸，溢洪洞及泄洪放空洞布置在右岸。校核洪水時，溢洪洞、深孔泄洪洞、非常泄洪洞、泄洪放空洞泄量分別為4 036 m3/s，2 987 m3/s，1 470.3 m3/s和1 068 m3/s，分別占總泄量的42.2%,31.2%,15.4%和11.2%[1]。設(shè)計洪水時，在考慮一半機組過流的情況下，溢洪洞和深孔泄洪洞泄量分別為3 203.2 m3/s和2 881 m3/s，分別約占總泄量的52.6%和47.4%?？梢姡诟髟O(shè)計工況下，溢洪道均承擔(dān)了大部分的泄洪任務(wù)，是猴子巖水電工程最重要的泄水建筑物。

土石壩漫頂是土石壩設(shè)計人員必須避免發(fā)生的事情[2]，土石壩一旦漫頂后果不堪設(shè)想。作為溢洪道的重要組成部分，進水口閘室能否正常工作直接關(guān)系到洪水能否正常下泄，對大壩的安全運行至關(guān)重要。因此，閘室設(shè)計成為溢洪道設(shè)計的關(guān)鍵。

為確保閘室設(shè)計的經(jīng)濟性與安全性，需要弄清楚閘室在不同運行工況下的應(yīng)力及變形規(guī)律；找到對閘室運行起控制性作用的工況和閘室設(shè)計及運行過程中的薄弱位置。

1 閘室三維有限元模型及計算參數(shù)

猴子巖進口閘室模型范圍取為171.1 m×70.8 m×149.7 m(長×寬×高)，利用大型通用有限元軟件ANSYS內(nèi)置的APDL語言進行參數(shù)化建模[3]。選用Solid185三維實體結(jié)構(gòu)單元進行網(wǎng)格劃分，模型節(jié)點總數(shù)為123 701，單元總數(shù)為486 077，猴子巖溢洪道進口閘墩三維有限元模型見圖1。

坐標(biāo)系以橫向為Z向(寬)，豎向為Y向(高)，軸向為X向(長)，方向見圖1；采用國際單位制：kg，m，s。

邊墩及大梁混凝土強度等級為C30，溢流堰抗沖耐磨混凝土等級為C35；模型巖體等級主要為Ⅳ類和Ⅲ2類，巖體的變形模量和抗剪強度取地質(zhì)建議值的平均值；材料主要物理力學(xué)計算參數(shù)見表1。

2 計算荷載及工況組合

表1 材料主要物理力學(xué)參數(shù)計算取值

混凝土閘室主要設(shè)計荷載包括結(jié)構(gòu)自重、初始地應(yīng)力、靜水壓力、揚壓力、機電荷載等，計算工況荷載組合見表2，溢洪道閘室剖視圖見圖2，機電荷載作用示意圖見圖3。

3 有限元計算成果分析

3.1 位移計算成果及分析

各工況下閘墩的位移極值統(tǒng)計值見表3?？梢钥闯?，各工況下，溢洪道閘室的位移變化均比較小，總最大值為4.799 mm；溢洪道閘門工作的幾個主要工況(工況2～工況4)的位移分布規(guī)律基本一致，表明閘門在正常擋水及啟閉的過程中，閘室各向位移變化均較小，閘門運行過程比較平穩(wěn)；工況1和工況5分別代表蓄水前以及敞泄的工況，與其他工況相比，軸向和橫向的位移變化較大，位移變化小于1 mm，在閘室正常工作允許范圍以內(nèi)。

表2 計算工況荷載組合

表3 各工況下閘室位移極值統(tǒng)計表 mm

3.2 應(yīng)力計算成果及分析

為了詳細的考察各工況下，閘室的應(yīng)力變化情況，分部位分別統(tǒng)計了各工況下閘室的應(yīng)力極值分布情況，見表4～表6。

表4 各工況下左邊墩應(yīng)力極值統(tǒng)計表 MPa

可以看出，左邊墩拉應(yīng)力以軸向和豎向為主。軸向最大拉應(yīng)力為0.726 MPa，出現(xiàn)在正常蓄水位工況(工況2)；豎向最大拉應(yīng)力為0.577 MPa，出現(xiàn)在蓄水前(工況1)；橫向最大拉應(yīng)力為0.305 MPa，出現(xiàn)在蓄水前(工況1)；最大主拉應(yīng)力為0.970 MPa，出現(xiàn)在正常蓄水位工況(工況2)；各工況下最大主壓應(yīng)力變化不大，最大值為8.22 MPa，出現(xiàn)在敞泄工況(工況5)。

從數(shù)值上看，左邊墩的最大主拉、壓應(yīng)力均在混凝土的抗拉強度(1.43 MPa)及抗壓強度(14.3 MPa)范圍之內(nèi)，表明左邊墩在各運行工況下能滿足承載力極限狀態(tài)設(shè)計的要求。

表5 各工況下右邊墩應(yīng)力極值統(tǒng)計表 MPa

可以看出，右邊墩拉應(yīng)力以軸向和橫向為主。軸向最大拉應(yīng)力為1.31 MPa，出現(xiàn)在溢洪道閘門工作的幾個主要工況(工況2～工況4)；橫向最大拉應(yīng)力為0.661 MPa，出現(xiàn)在正常蓄水位工況(工況2)；豎向最大拉應(yīng)力為0.401 MPa，出現(xiàn)在蓄水前(工況1)；最大主拉應(yīng)力為1.89 MPa，出現(xiàn)在工況1～工況4；最大主壓應(yīng)力值為-11.6 MPa，出現(xiàn)在工況1。

從數(shù)值上看，右邊墩各向正拉壓應(yīng)力均未超過混凝土的拉、壓強度要求，但從最大主應(yīng)力來看，最大主拉應(yīng)力分布在1.82 MPa～1.89 MPa之間，略大于混凝土的抗拉強度，需采取一定配筋措施，最大主壓應(yīng)力均在混凝土抗壓強度范圍以內(nèi)。因此，右邊墩通過適當(dāng)配筋可以滿足承載能力極限狀態(tài)設(shè)計的要求。

表6 各工況下大梁應(yīng)力極值統(tǒng)計表 MPa

可以看出，溢洪道閘門工作的幾個主要工況(工況2～工況4)的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，大梁的拉應(yīng)力以軸向和橫向為主，軸向最大拉應(yīng)力1.88 MPa～1.89 MPa，橫向最大拉應(yīng)力1.07 MPa～1.08 MPa，豎向應(yīng)力為0.542 MPa～0.589 MPa,數(shù)值變化不大，表明在閘門正常擋水及啟閉的過程中，大梁各向應(yīng)力變化均較小，閘門運行過程比較平穩(wěn)；工況1(蓄水前)和工況5(敞泄)與其他工況相比，各向正應(yīng)力及最大主拉、壓應(yīng)力均較小，表明這兩個工況對大梁的運行不起控制作用。

從數(shù)值上看，工況2～工況4下，大梁軸向正拉壓應(yīng)力在1.88 MPa～1.89 MPa之間，最大主拉應(yīng)力在2.02 MPa～2.05 MPa之間，均略高于混凝土抗拉強度要求，需采取配筋措施對大梁進行局部加強；大梁各項正壓應(yīng)力以及最大主壓應(yīng)力均未超過混凝土的抗壓強度設(shè)計值。因此，大梁通過配筋可以滿足承載能力極限狀態(tài)設(shè)計的要求。

從總的情況來看，工況2～工況4的各向應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，隨著荷載的變化，應(yīng)力變化較小，表明猴子巖進水口閘室在閘門正常擋水及啟閉過程中運行比較穩(wěn)定；對比左、右邊墩及大梁的應(yīng)力水平及應(yīng)力變化規(guī)律可知，大梁是閘室的關(guān)鍵控制單元，應(yīng)加強配筋，運行期應(yīng)加強檢測，以保證閘室的安全運行。

4 結(jié)語

1)溢洪道閘門正常擋水及啟閉工況(工況2～工況4)的位移分布規(guī)律基本一致，溢洪道閘室的位移變化較小，表明閘室運行過程比較平穩(wěn)；各工況下的位移變化量小于1 mm，在閘室正常工作允許范圍以內(nèi)。

2)閘門正常擋水及啟閉的工況(工況2～工況4)是主要的控制工況，控制工況下，各向應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，隨著荷載的變化，應(yīng)力變化較小，表明猴子巖進水口閘室工作性能穩(wěn)定。

3)大梁在閘門擋水及啟閉過程中拉應(yīng)力最大，且超過混凝土抗拉強度，表明大梁是閘室最薄弱的部位，是閘室安全運行的控制性單元，設(shè)計中應(yīng)加強配筋，運行期應(yīng)加強檢測，以保證閘室的安全運行。

[1] 中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院.四川省大渡河猴子巖水電站可行性研究設(shè)計報告[R].成都：中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，2009.

[2] 陳生水.土石壩潰決機理與潰壩過程模擬[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[3] 張元澤，黃志澎，牟高翔,等.大崗山廊道三維靜力線彈性有限元分析及配筋方法研究[J].水電站設(shè)計，2014(2):32.

OperationsafetyanalysisofgatechamberofHouziyanspillwaytunnel★

ZhangYuanze1,2JiangZhiyong3ZhangShungao1

(1.PowerChinaChengduEngineeringCorporationLimited,Chengdu610072,China; 2.CollegeofHydraulic&HydroelectricEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China; 3.SichuanAcademyofBuildingScience,Chengdu610081,China)

Based on the large-scale general finite element software ANSYS, the fine three-dimensional finite element model was built to simulate the stress and deformation law of the inlet gate chamber of the Houziyan hydropower station under different working conditions. Through the comparative analysis, to find the control operating conditions and the weak part of the gate chamber. The research results have important reference value both to the design of the intake chamber and to the control and management of the operation period of the gate chamber.

hydropower station, gate chamber of spillway tunnel, ANSYS, operation safety analysis

O241.82

：A

1009-6825(2017)24-0198-03

2017-06-17 ★ ：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2013CB036400)；中國電建集團成都院青年基金(2015-309)

張元澤(1983- )，男，工程師，在讀博士