ABAQUS在水電站廠房地基應(yīng)力分析中的應(yīng)用

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

ABAQUS軟件是目前國際上先進(jìn)的大型通用非線性有限元分析軟件，在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-5]，對巖土工程中的實(shí)際模型所取的各種邊界條件以及土體的非線性本構(gòu)關(guān)系有著很好的適應(yīng)性[6]。地基應(yīng)力分析往往是水電站廠房設(shè)計(jì)的重要課題。廠房地基面上所承受的最大正應(yīng)力在任何情況下均不應(yīng)超過地基的允許應(yīng)力。本文以龍溪口水電站為例，利用ABAQUS軟件對廠房的地基應(yīng)力進(jìn)行了分析。

1 工程概況

龍溪口水電站航電結(jié)合，兼顧防洪、供水、環(huán)保等綜合利用。工程正常蓄水位317.00m，死水位316.00m，水庫具有日調(diào)節(jié)性能。工程建成后，電站裝機(jī)容量480MW，多年平均發(fā)電量20.20億kW·h。

發(fā)電廠房布置于河道左側(cè)，為河床式廠房，屬擋水建筑物，左側(cè)為魚道壩段，右側(cè)為泄洪閘壩段。發(fā)電廠房主要建筑物包括主機(jī)間壩段、安裝間壩段、裝卸場壩段、副廠房、攔沙坎、導(dǎo)墻、引水渠、尾水渠、主變及GIS 室內(nèi)開關(guān)站等。廠內(nèi)安裝9臺貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，安裝高程為289.50m，單機(jī)容量為53.34MW，總裝機(jī)容量為480MW。廠房總長287.20m，其中主機(jī)間壩段203.20m、安裝間壩段60.0m、裝卸場壩段24m。除9號機(jī)組外，每兩臺機(jī)組之間設(shè)一永久沉降縫，共分5個(gè)機(jī)組壩段；安裝間布置在主機(jī)間左側(cè)，分為2個(gè)壩段(從左至右為安1號和安2號)。

2 地形地質(zhì)情況

兩岸坡屬中低山—丘陵寬谷侵蝕地貌，河谷呈不對稱的“U”形寬谷。兩岸山體呈不對稱狀，左岸山勢低矮，且較平緩，坡頂高程約358.00m，與河床高差約55m，自然坡度約為4°～21°；右岸山勢較為陡峻、雄厚，坡頂高程約395m，與河床高差約92m，自然坡度約為39°～51°。該河段河谷左岸為堆積岸，河流階地亦較為發(fā)育，且較完整，沿岸發(fā)育分布有河漫灘和Ⅰ級階地，階地高程約307.00～314.00m，基本完整，其地勢平坦、開闊。

廠房地層巖性為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s3-3):暗紫紅色、暗紫色泥巖，粉砂質(zhì)泥巖夾中厚層或團(tuán)塊狀鈣質(zhì)長石砂巖、長石粉砂巖，砂巖含量約20%～30%，巖層產(chǎn)狀為N55°～74°E/SE∠26°～43°，區(qū)內(nèi)無斷層切割以及褶皺發(fā)育的跡象。廠房主機(jī)間基礎(chǔ)置于新鮮巖體內(nèi)，其地基允許承載力為1.5～1.8MPa，變形模量為3.0～3.5GPa；廠房安裝間基礎(chǔ)置于中風(fēng)化和微風(fēng)化巖體之上，中風(fēng)化巖體地基允許承載力為1.0～1.2MPa，變形模量為2.0～2.5GPa，微風(fēng)化巖體地基允許承載力為1.5～1.8MPa，變形模量為3.0～3.5GPa。

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算工況

取3種工況計(jì)算：

工況1：上游設(shè)計(jì)水位+下游最低通航水位；

工況2：上游設(shè)計(jì)水位+下游設(shè)計(jì)尾水位；

工況3：上游校核水位+下游最低水位。

各水位如下：

上游設(shè)計(jì)洪水位(P=1%)：317.49m；

上游校核洪水位(P=0.1%)：321.45m；

下游最低通航水位：300.00m；

下游最低尾水位(1臺機(jī)滿發(fā))：301.10m；

下游設(shè)計(jì)洪水尾水位(P=1%)：315.73m。

3.2 建立模型

分別建立了9號機(jī)組段(一機(jī)一縫，邊機(jī)組段)、3號和4號兩臺機(jī)組段(兩機(jī)一縫，中間機(jī)組段)、廠房安裝間段的三維有限元模型。模型中考慮了對廠房整體安全性影響較大的強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化及微新的巖層，并對各類巖層進(jìn)行了比較符合實(shí)際的模擬。廠房和基礎(chǔ)網(wǎng)格大部分采用八節(jié)點(diǎn)六面體等參單元(C3D8單元)，只有少部分采用棱柱體過渡單元。

模型中x方向?yàn)檠貕慰v向(正向由左岸指向右岸)、y方向?yàn)轫樅酉?正向由上游到下游)、z方向?yàn)樨Q直向。計(jì)算范圍：沿壩踵向上游延伸150m，沿壩趾向下游延伸150m，沿建基面高程275.01m向基礎(chǔ)深部延伸107m。有限元模型網(wǎng)格圖見圖1～圖3。

圖1 廠房9號一臺機(jī)組段整體網(wǎng)格圖

圖2 廠房3號、4號兩臺機(jī)組段整體網(wǎng)格圖

圖3 安裝間段整體網(wǎng)格圖

施加的邊界條件為：對基巖上、下游邊界約束順河向水平位移，壩左、右岸邊界約束橫河向水平位移，底部約束全部位移。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 3號、4號機(jī)組段(中間機(jī)組段)

由圖4可知，在各種工況下，中間機(jī)組段建基面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力值范圍為0.11～0.73MPa，最大值出現(xiàn)在建基面右上角點(diǎn)，最小值出現(xiàn)在左下角點(diǎn)。豎向沉降最大值為1.3cm。均滿足廠房基底應(yīng)力及沉降要求。

3.3.2 9號機(jī)組段(邊機(jī)組段)

由圖5可知，在各種工況下，邊機(jī)組段建基面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力值范圍為0.12～0.89MPa，最大值出現(xiàn)在建基面右上角點(diǎn)，最小值出現(xiàn)在左下角點(diǎn)。豎向沉降最大值為1.5cm。均滿足廠房基底應(yīng)力及沉降要求。

圖4 中間機(jī)組段建基面z方向應(yīng)力云圖

圖5 邊機(jī)組段建基面z方向應(yīng)力云圖

3.3.3 安裝間段

圖6 安裝間段建基面z方向應(yīng)力云圖

由圖6可知，在各種工況下，安裝間段建基面應(yīng)力值最大值為0.82MPa，最大值出現(xiàn)在建基面右下角點(diǎn)。豎向沉降最大值為1.10cm。均滿足廠房基底應(yīng)力及沉降要求。

4 結(jié) 語

利用ABAQUS軟件對龍溪口水電站廠房的地基應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明：兩臺機(jī)機(jī)組段、一臺機(jī)機(jī)組段和安裝間段建基面在各工況下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力值均小于地質(zhì)提供的泥巖微、新巖體的1.20～2MPa允許承載力，各機(jī)組段的沉降量均不大于2cm，滿足規(guī)范要求。

本文的計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)論為該水電站廠房的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供了科研依據(jù)，對同類水電站廠房的設(shè)計(jì)和施工也具有參考意義。