瀑布溝水電站進水口應力與變形分析

李 健，王輝義

(國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 311122)

岸塔式進水口是引水發(fā)電系統(tǒng)的咽喉，也是確保其后引水隧洞和發(fā)電廠房安全的重要屏障[1-3].隨著西南水電資源大規(guī)模開發(fā)，高壩大庫越來越多，岸塔式進水口的高度也高達百米.對于百米級的高聳塔體結構，考慮其內(nèi)布置有事故閘門、工作閘門及其啟閉設施，孔洞眾多且交錯相通，結構及受力均較復雜，若再采用簡單的桿件體系或平面有限元法進行應力變形分析，可能造成無法得到結構關鍵部位的應力分布而使計算結果顯得過于粗略，難以完全滿足工程設計需要.本文依托瀑布溝水電站96.0 m高的岸塔式進水口結構，基于Abaqus平臺，在整體三維線彈性有限元分析的基礎上，采用子模型技術[4]，考慮混凝土損傷塑性及與鋼筋聯(lián)合受力[5-7]，對孔口局部主要拉應力區(qū)域進行局部三維非線性應力應變分析，以更深入了解孔口周邊混凝土的應力狀態(tài)，為結構設計和配筋計算提供依據(jù)與參考.

1 計算模型

1.1 結構布置

瀑布溝水電站水庫正常蓄水位850.00 m，岸塔式進水口群采用“一”字布置于左岸，各進水口自成獨立單元結構，均由攔污柵段和進水段組成.進水口建基于花崗巖與玄武巖地基，建基面高程765.00 m，最大塔高96.0 m；進水口單塔橫流道向?qū)?8.86 m，孔口兩側邊墻厚10.68 m.進水口沿流道向長28.3 m，進水段長19.3 m，其內(nèi)布置一道檢修閘門和一道工作閘門，孔口尺寸分別為7.5 m×9.5 m(寬×高)、7.5 m×10.08 m(寬×高)，工作閘門后設有斷面尺寸為4.0 m×1.5 m的通氣孔.進水口后采用長20.0 m的漸變段與圓形壓力管道相接.

1.2 材料參數(shù)與荷載工況

進水口塔體混凝土強度等級為C20，混凝土損傷塑性模型采用水工混凝土結構設計規(guī)范[8]推薦的單軸拉伸壓縮應力—應變曲線，在Abaqus非線性有限元計算中所需相關輸入?yún)?shù)由能量等效理論推導，混凝土材料基本參數(shù)(見表1).鋼筋采用等向硬化模型，硬化曲線采用常見的三折線模型，鋼筋材料基本參數(shù)(見表2).

計算荷載主要包括結構自重、水壓力、揚壓力及浪壓力、上部設備荷載等，均按水工建筑物荷載設計規(guī)范取值[9].線彈性計算包括施工完建期和蓄水運行期兩種工況，非線性有限元計算分兩個荷載步分別模擬施工、蓄水過程.

表1 混凝土材料基本參數(shù)

表2 鋼筋材料基本參數(shù)

1.3 有限元模型

進水口有限元模型考慮整體模型和孔口局部子模型.整體模型包括進水口塔體混凝土結構及周圍巖石基礎，巖石基礎截取范圍根據(jù)工程經(jīng)驗確定，一般截取特征尺寸的1.5倍左右；子模型是根據(jù)線彈性有限元計算結果，并考慮計算規(guī)模，從整體模型中切割出孔口周邊混凝土子域，網(wǎng)格劃分加密一倍，以滿足計算結果精度要求.

混凝土和鋼筋分別采用Abaqus中的C3D8和TRUSS單元進行有限元網(wǎng)格劃分，并采用*EM-BEDDED REGION定義它們之間的相互作用.三維整體模型和孔口局部子模型有限元網(wǎng)格(見圖1)，單元總數(shù)分別為47 990、38 128.

圖1 有限元網(wǎng)格剖分

1.4 子模型方法

子模型方法是提高大型復雜結構局部區(qū)域求解精度的有限單元技術.本次子模型計算依托Abaqus平臺，首先準備子模型數(shù)據(jù)文件和相應整體模型計算結果文件，然后在子模型數(shù)據(jù)文件中使用*SUBMODEL和*BOUNDARY，SUBMODEL，STEP命令調(diào)用整體模型中屬于子模型邊界的單元信息和計算結果，采取插值的方法將整體模型位移結果轉(zhuǎn)化為子模型指定位移邊界條件，并按子模型數(shù)據(jù)文件中指定的增量步進行加載求解.

2 計算結果

2.1 整體模型線彈性分析

進水口塔體施工完建期水平位移沿流道向最大值為7.071 mm，出現(xiàn)在塔體頂部，傾向上游；水平位移橫流道向最大值為0.403 mm，均表現(xiàn)為向孔口外側變形；豎直向位移最大值為9.514 mm，表現(xiàn)為向下沉降.進水口塔體蓄水運行期各向位移最大值出現(xiàn)部位與施工完建期一致，但受水壓力、揚壓力作用影響，各向位移均較施工完建期有較大減小，相應最大值分別為4.516 mm、0.268 mm、7.047 mm.施工完建期各向位移分布(見圖2).

進水口塔體施工完建期整體呈受壓狀態(tài)，壓應力均不到3.0 MPa，僅在孔口頂板、底板表層受拉，最大水平橫流道向拉應力為1.963 MPa，但衰減較快，沿高程在不到2.0 m范圍迅速衰減到0.6 MPa以下，應力分布(見圖3(a)).進水口塔體蓄水運行期應力分布規(guī)律與施工完建期一致，但受水壓力、揚壓力頂托作用，應力峰值均大幅減小，最大水平橫流道向拉應為0.944 MPa，應力分布(見圖3(b)).

圖2 整體模型施工完建期各向位移等值線云紋圖

圖3 整體模型水平橫流道方向應力等值線云紋圖

由位移和應力計算結果可知，施工完建期的位移及應力均較蓄水運行期大，施工完建期為進水口靜力條件下的控制工況.特別是蓄水后，水平橫流道向拉應力峰值由1.963 MPa減少至0.944 MPa，應力狀態(tài)改善幅度較大，因此施工時要合理設計澆筑層厚和安排施工工期，避免由于拆模過早或混凝土凝期不夠造成的施工拉裂縫.

2.2 子模型非線性分析

根據(jù)整體模型計算結果，采用子模型技術，考慮混凝土的損傷塑性性能后，混凝土水平橫流道向拉應力峰值較線性計算結果明顯減小，但其拉應力范圍有一定增大，說明混凝土發(fā)生損傷塑性后，損傷塑性部位及其周邊混凝土應力重新調(diào)整分布，計算結果與理論相符.非線性計算出的應力峰值不超過混凝土抗拉強度，損傷塑性范圍僅分布流道中軸線孔口頂、底板淺表層，沿高程不到0.5 m(見圖4).

跟蹤受拉發(fā)生損傷塑性單元結點應力—應變歷程曲線(見圖5)，從施工完建到蓄水過程，孔口混凝土損傷塑性區(qū)經(jīng)歷了彈性-損傷塑性-卸載的應力變化過程.在塔體混凝土澆筑上升過程中，孔口頂、底板表層水平橫流道向拉應力峰值在達到抗拉強度1.50 MPa后進入損傷塑性狀態(tài)，而在蓄水期間，孔口周邊混凝土應力狀態(tài)得到改善而處于卸載狀態(tài)，且不再承受拉應力.

圖4 子模型孔口周邊混凝土損傷塑性等值線云紋圖

圖5 損傷塑性單元結點應力—應變歷程曲線圖

計算結果表明，孔口流道周邊混凝土拉應力范圍考慮鋼筋后的非線性與不考慮鋼筋作用基本相同，但混凝土塑性應變峰值較不考慮鋼筋減少約15%，說明布置鋼筋對阻止裂紋擴展具有較好效果.計算的鋼筋拉應力很小，采用混凝土與鋼筋位移協(xié)調(diào)模式，并不能完全真實地模擬混凝土與鋼筋的相互作用和傳力機制有關.

非線性計算時發(fā)現(xiàn)，增量步、荷載步選擇尤為重要.如果增量步太少，跟蹤應力—應變關系曲線會出現(xiàn)漏掉峰值的情況，即混凝土未達到抗拉強度就進入損傷塑性狀態(tài)；如果將施工期和蓄水期放在一個荷載步中按比例增量加載，會出現(xiàn)孔口周邊混凝土橫流道向應力一直在抗拉強度范圍，導致與實際不符.

3 結 論

整體模型線彈性計算結果表明進水口塔體各向位移均很小，塔體剛度可以滿足設計要求.整體模型線彈性與子模型非線性計算的混凝土應力分布規(guī)律一致，拉應力區(qū)集中在孔口周邊，沿高度衰減梯度大，損傷塑性區(qū)僅分布在流道中軸線孔口頂、底板淺表層0.5 m范圍內(nèi)，表明塔體混凝土強度能滿足設計要求.

值得關注的是，進水口塔體靜力條件下的控制工況為施工完建期，蓄水后應力狀態(tài)得到較大改善，因此施工時應注意施工拆模和混凝土分層澆筑及進度控制，以確?？卓谥苓吇炷劣凶銐虻哪虝r間.另外，鑒于該塔體結構安全裕度較大，以后類似進水口結構設計時，可開展單塔塔體寬度、高度與孔口尺寸之間的比例關系和群塔進水口的塔體之間相互作用對孔口混凝土水平橫流道向拉應力影響的研究，以期進一步優(yōu)化塔體結構.

[1] 張 丹，李 偉.遵義下壩水庫取放水隧洞建筑物優(yōu)化設計[J].浙江水利水電學院學報，2016，28(1)：32-36.

[2] 楊 武，譚劍波.天生橋水庫輸水隧洞安全復核及除險加固設計[J].浙江水利水電學院學報，2016，28(4)：36-39.

[3] 魏彩章，余培琪，李 潔，等.DL5398—2007水電站進水口設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2007.

[4] 李 健.高聳岸塔式進水口結構動力特性研究與破壞仿真分析[D].武漢：武漢大學，2005.

[5] 徐遠杰，楚錫華，陳 龍.高混凝土重力壩孔口應力非線性數(shù)值模擬[J].計算機輔助工程，2010，19(2)：20-25.

[6] 陳 進，王光綸，段云嶺，等.重力壩深(底)孔斷面鋼筋混凝土模型試驗研究[J].水利學報，1998(8)：1-5.

[7] 彭宣茂，傅作新，錢向東.三峽廠房壩段引水管道孔口配筋三維非線性分析[J].水力發(fā)電，2001(4)：15-18.

[8] 魏堅攻，石廣斌，侯建國，等.DL5057—2009水工混凝土結構設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2009.

[9] 梁文浩，宋常春，苗琴生，等.DL5077—1997水工建筑物荷載設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，1998.