大型阻抗式尾水調(diào)壓室襯砌結(jié)構(gòu)三維有限元分析

黃 娟，李 藝

（1.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川成都 610213；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

為了減小水錘壓強(qiáng)，提高電站運(yùn)行的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量，水電站有壓引（尾）水系統(tǒng)上一般設(shè)置調(diào)壓室。近年來，隨著我國水電建設(shè)的迅猛發(fā)展，為了滿足結(jié)構(gòu)布置和運(yùn)行條件，大型阻抗式調(diào)壓室在地下式水電站中越來越多地被采用，且呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、斷面尺寸大、地質(zhì)條件復(fù)雜、受力復(fù)雜等特點(diǎn)，因此阻抗式調(diào)壓室結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及安全問題十分突出。

阻抗式調(diào)壓室深埋于山體中，屬于地下結(jié)構(gòu)工程范疇，目前對于地下工程圍巖穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析方法主要有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)法和有限單元法。對于地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜的阻抗式調(diào)壓室，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)法越來越不能適應(yīng)設(shè)計(jì)的要求，而有限元法以對復(fù)雜幾何構(gòu)造的適應(yīng)性以及求解結(jié)果的可靠性等特點(diǎn)，在大型調(diào)壓室結(jié)構(gòu)計(jì)算中已經(jīng)得到了越來越廣泛地應(yīng)用。

1 三維有限元計(jì)算分析

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

某電站工程區(qū)地震設(shè)防烈度為8度，調(diào)壓室結(jié)構(gòu)按100年超越概率2%的地震水平加速度297 gal進(jìn)行設(shè)計(jì)。該電站尾水系統(tǒng)采用“二機(jī)一室一洞”布置方式，尾水連接管斷面尺寸9.00 m×14.00 m，在調(diào)壓室內(nèi)2機(jī)交匯為一條尾水洞。1號尾水調(diào)壓室連接①②機(jī)組及①尾水洞；2號尾水調(diào)壓室連接③④機(jī)組及②尾水洞，下上部跨度分別為22 m、23.5 m；總長140.20 m，中間用16 m巖柱隔開；尾水調(diào)壓室高度受起閘控制，室高75.35 m。上下、左右端墻襯砌厚均為0.85 m，阻抗隔板厚2 m，阻抗隔板以下流道高14 m。

調(diào)壓室上游側(cè)設(shè)尾水管檢修閘門，閘門孔口尺寸9.00 m×14.00 m（寬 ×高），尾水閘墩尺寸4.00 m×5.70 m。檢修平臺之上設(shè)置啟閉機(jī)排架，排架柱固結(jié)在閘墩上。

1.2 計(jì)算模型

1.2.1 模型及邊界條件

尾水調(diào)壓室模型包含調(diào)壓室上室流道、調(diào)壓室下室流道、底板、閘墩、阻抗板及周圍巖體。調(diào)壓室計(jì)算模型以調(diào)壓室為中心，向四周及上下側(cè)巖體各取25 m左右。

模型采用SOLID45實(shí)體八結(jié)點(diǎn)六面體及其退化的四面體單元。整個(gè)模型結(jié)點(diǎn)總數(shù)為124 569，單元總數(shù)為124 733，計(jì)算模型見圖1和圖2。

圖1 調(diào)壓室整體模型

圖2 調(diào)壓室三維離散模型（取一半）

模型的約束條件為：四周及上邊界均施加法向約束，底部邊界施加全約束。

1.2.2 計(jì)算參數(shù)

混凝土結(jié)構(gòu)部分的強(qiáng)度等級均為C25。調(diào)壓室四周圍巖按地質(zhì)剖面圖大致可劃分為Ⅲ1、Ⅲ2和Ⅳ類，具體計(jì)算參數(shù)見表1。

工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，調(diào)壓室結(jié)構(gòu)按100年超越概率2%的地震水平加速度297 gal進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1 材料參數(shù)

1.3 計(jì)算工況及荷載

計(jì)算工況及荷載組合見表2，計(jì)算計(jì)入的主要荷載有自重、內(nèi)水壓力、外水壓力、圍巖壓力、地震力、阻抗板壓差及啟閉力。

表2 計(jì)算工況及荷載組合

1.4 計(jì)算成果分析

計(jì)算模型坐標(biāo)系為笛卡爾坐標(biāo)系，三軸方向的確定規(guī)則：①X軸，為尾水洞中心線方向，指向下游為正；②Z軸，為豎直方向，自下而上為正；③Y軸，水平面為XY平面，符合右手螺旋定則。

1.4.1 位 移

為了便于成果分析比較，約定如下：位移值為“+”，表示該結(jié)構(gòu)部位的位移與相應(yīng)的坐標(biāo)軸正向一致，“-”號表示沿各坐標(biāo)軸負(fù)向一致；如果沒有特別說明，計(jì)算結(jié)果均為沿整體坐標(biāo)的位移值，且約定樁號、高程、橫水流向尺寸都以m為單位，位移矢量與位移分量值一律以mm為單位整理。

（1）順?biāo)飨蛭灰芔X。各計(jì)算工況下，結(jié)構(gòu)順?biāo)魉较蛭灰芔X峰值詳見表3。

（2）橫水流向位移UY。各計(jì)算工況下，結(jié)構(gòu)橫水流水平向位移UY峰值詳見表4。

表3 結(jié)構(gòu)順?biāo)魉较蛭灰芔X峰值 mm

表4 結(jié)構(gòu)橫水流水平向位移UY峰值 mm

（3）豎向位移UZ。各計(jì)算工況下，結(jié)構(gòu)豎向位移UZ峰值詳見表5。

表5 結(jié)構(gòu)豎向位移UZ峰值 mm

從位移成果來看，結(jié)構(gòu)最大順?biāo)魉较蛭灰浦饕l(fā)生在尾水連接管檢修工況和最低涌浪工況，其值分別為-1.426 mm和-1.448 mm。主要是由于外水壓力的作用，產(chǎn)生在上室下游側(cè)邊墻中部。

在橫水流向，由于結(jié)構(gòu)各部位均與基巖緊密相連，因此位移相對較小，最大位移峰值為0.688 mm，發(fā)生在調(diào)壓室左右兩側(cè)邊墻，主要由于外水作用產(chǎn)生。

豎向位移，在最高涌浪且阻抗板壓差向下工況下，最大位移峰值為-1.031 mm，主要發(fā)生在阻抗板靠阻抗孔端中部，此部位為阻抗板自由端，由阻抗板向下水壓差及自重等因素引起，這也是整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大位移。因此阻抗板成為調(diào)壓室結(jié)構(gòu)受力關(guān)鍵部位。

通過以上位移計(jì)算成果可以看出，結(jié)構(gòu)各部位總體位移較小。

1.4.2 應(yīng) 力

混凝土應(yīng)力計(jì)算成果大部分整理為整體直角坐標(biāo)系下的應(yīng)力分量，且約定拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值，應(yīng)力單位為MPa。σx為順?biāo)魉絏向正應(yīng)力，σy為橫水流向Y向正應(yīng)力，σz為豎直Z向正應(yīng)力，σ1為第一主應(yīng)力。

（1）底板應(yīng)力。各計(jì)算工況下，結(jié)構(gòu)底板應(yīng)力峰值詳見表6。

表6 結(jié)構(gòu)底板應(yīng)力峰值 MPa

（2）流道邊墻及閘墩應(yīng)力。各計(jì)算工況下，流道邊墻及閘墩應(yīng)力峰值詳見表7。

表7 流道邊墻及閘墩應(yīng)力峰值 MPa

（3）阻抗板應(yīng)力。各計(jì)算工況下，阻抗板應(yīng)力峰值詳見表8。

表8 阻抗板應(yīng)力峰值 MPa

（4）門槽應(yīng)力。各計(jì)算工況下，門槽應(yīng)力峰值詳見表9。

表9 門槽應(yīng)力峰值 MPa

（5）上室邊墻應(yīng)力。各計(jì)算工況下，上室邊墻應(yīng)力峰值詳見表10。

表10 上室邊墻應(yīng)力峰值 MPa

由分析成果可知，底板應(yīng)力主要由內(nèi)水壓力控制。應(yīng)力峰值均發(fā)生在底板與流道邊墻相交處，最大值為1.33 MPa；下室流道邊墻及閘墩，從結(jié)構(gòu)整體來看主要受豎向拉應(yīng)力作用，也發(fā)生在邊墻與阻抗板相交部位，最大拉應(yīng)力峰值為1.44 MPa；門槽部位主要受閘門水推力作用，因此最大拉應(yīng)力發(fā)生在尾水連接管檢修工況，應(yīng)力峰值為1.63 MPa；結(jié)構(gòu)上室部分，拉應(yīng)力主要發(fā)生在與阻抗板相交部位，但應(yīng)力梯度較大，在離阻抗板頂部4 m以上范圍，應(yīng)力基本在混凝土強(qiáng)度范圍內(nèi)。

阻抗板為調(diào)壓室結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，此結(jié)構(gòu)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的水力條件，但阻抗板也是整個(gè)結(jié)構(gòu)中剛度最小、變形及應(yīng)力最大的部位。在靜力工況下，其主要受自重及水壓差作用，在閘墩相交部位由于結(jié)構(gòu)幾何突變，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力達(dá)3.67 MPa。

通過以上應(yīng)力計(jì)算成果可以看出：結(jié)構(gòu)應(yīng)力總體較??；局部應(yīng)力較大，但分布范圍較小、應(yīng)力梯度大。絕大部分拉應(yīng)力均未超過混凝土結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2 結(jié)構(gòu)配筋

根據(jù)前文計(jì)算的各部位應(yīng)力分布情況，整理計(jì)算出調(diào)壓室結(jié)構(gòu)各部位建議配筋值，其配筋總結(jié)詳見表11。

表11 結(jié)構(gòu)配筋情況 mm2

3 結(jié) 論

本文計(jì)算的尾水系統(tǒng)采用“兩機(jī)一室一洞”的布置格局，尾水調(diào)壓室為阻抗長廊式，兩機(jī)在調(diào)壓室內(nèi)交匯，尾水閘門設(shè)置在調(diào)壓室內(nèi)，其混凝土襯砌、閘墩、阻抗板等構(gòu)成較復(fù)雜的超靜定結(jié)構(gòu)體系，特別是阻抗隔板為大跨度的異形結(jié)構(gòu)，為了解調(diào)壓室上述部位結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形情況，為結(jié)構(gòu)及配筋提供依據(jù)，確保調(diào)壓室結(jié)構(gòu)安全，有必要進(jìn)行尾水調(diào)壓室襯砌結(jié)構(gòu)的三維有限元計(jì)算分析。

通過計(jì)算得知，結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力位移均較小，分布符合一般規(guī)律。通過計(jì)算結(jié)果，整理出各部位的配筋，對工程技施設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義，可以對類似工程提供一定的參考價(jià)值。