某水電站溢洪道堰閘段抗震分析

張 浩，韓鵬輝

（中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

1 工程概況

某水電站位于黃河上游干流上，總庫容16.22 億m3,電站裝機容量為2200 MW，屬一等大（1）型工程。樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪道、泄洪洞及地下廠房組成。

泄水建筑物由右岸3 孔溢洪道和右岸1 條泄洪放空洞組成。泄水建筑物按1 級建筑物設(shè)計，設(shè)計洪水1000 年一遇（相應(yīng)洪水流量5760 m3/s），校核洪水為PMF（相應(yīng)洪水流量8530 m3/s）。

3 孔開敞式溢洪道利用右岸平臺地形緊靠面板壩布置，由引渠段、堰閘段、泄槽段、鼻坎段組成，總長約560 m，泄槽段軸線方位為EW272°。溢流堰坐落在微風化巖石上，建基面高程3238.0 m；堰閘段沿水流方向長50.0 m，單孔凈寬11 m，堰頂高程3258.0 m；上游堰頭為二圓弧曲線，堰面曲線采用WES 線，WES 曲線與1∶1.2 的斜坡相接，斜坡與半徑R＝30.0 m、夾角39.23°的圓弧相切，圓弧與泄槽斜坡以i=0.01 坡度相切連接?？卓诔叽?1 m×17 m，堰上設(shè)計水頭17 m；閘室頂高程3283.0 m，閘室設(shè)事故檢修門和弧形工作門各一道。檢修門啟閉設(shè)備為2×800 kN/320 kN 溢洪道壩頂門機，工作門啟閉設(shè)備為2×2500 kN 液壓啟閉機。

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（DL 5073-2000）的規(guī)定，本工程溢洪道堰閘段為壅水建筑物，抗震設(shè)防類別為甲類；工程壩址區(qū)基本烈度為Ⅶ度，設(shè)防烈度Ⅷ度，場地類別為Ⅰ類。

2 計算方法及模型

計算采用ANSYS 14.5 有限元結(jié)構(gòu)分析軟件。上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基均利用六面體塊單元離散。溢洪道堰閘段中墩有限元網(wǎng)格劃分見圖1，單元數(shù)：84034；節(jié)點數(shù)：94487。在建立有限元模型時，溢洪道堰閘段計算基礎(chǔ)深度取1 倍閘墩高度（45 m），上、下游基礎(chǔ)長度分別取堰閘段順水流長度的1 倍（各取50 m），左右兩側(cè)基礎(chǔ)長度分別取單孔堰閘段寬度的1 倍（16 m）。

對溢洪道堰閘段進行地震反應(yīng)分析時,分別沿兩個水平主軸方向輸入地震動,即順水流方向和垂直水流方向,并同時考慮豎向地震的影響。采用振型分解反應(yīng)譜法計算地震反應(yīng)，阻尼比采用常阻尼比0.05，參與振型取前30 階，采用CQC 法進行各振型的地震作用組合。

本工程地震作用分析考慮順水流和垂直水流兩個水平方向和豎向地震作用效應(yīng)。豎向地震作用峰值加速度取水平向的2/3，其與水平向地震作用的耦合系數(shù)為0.5。

圖1 溢洪道堰閘段中墩有限元網(wǎng)格劃分

3 計算工況與荷載組合

本次計算選取了正常蓄水、地震2 個典型計算工況。正常蓄水工況，兩側(cè)弧門擋水；正常蓄水+地震，兩側(cè)弧門擋水，遭遇地震。正常蓄水位為3275.00 m，荷載組合表見表1。

表1 荷載組合表

4 溢洪道堰閘段自振特性分析結(jié)果

表2 列出了溢洪道堰閘段中墩干、濕模態(tài)前6 階自振頻率及振型描述。中墩濕模態(tài)前6 階振型見圖2。實際計算了中墩前50 階自振頻率和振型，高階頻率和振型對結(jié)構(gòu)動力特性影響不大，不再一一列出。

圖2 中墩濕模態(tài)前六階振型圖

表2 溢洪道堰閘段中墩自振特性表

由表2 可知，濕模態(tài)自振頻率較干模態(tài)稍有減小，說明水體附加質(zhì)量對閘墩的自振特性有影響，但影響不大。濕模態(tài)相應(yīng)的質(zhì)量因附加質(zhì)量的計入而變大，但剛度保持不變，所以自振頻率稍有下降，這是符合規(guī)律的。中墩第一階振型以垂直水流方向振動為主，第二階振型以垂直水流方向二階振動為主。中墩第一階頻率達到2.18 Hz，說明側(cè)向剛度是比較大的。以后各階振型主要是側(cè)向和扭轉(zhuǎn)振動，其次是順水流向振動，也有整體豎向振動振型。

5 計算結(jié)果分析

5.1 正常蓄水工況下的局部應(yīng)力分析

在堰閘段中墩選取了7 個典型剖面作為分析對象，見圖3。

圖3 中墩各剖面位置示意圖

溢洪道正常蓄水工況下的局部應(yīng)力云圖見圖4、圖5，局部應(yīng)力統(tǒng)計表見表3，由表3 可知，剖面1 最大拉應(yīng)力有0.20 MPa，發(fā)生在閘墩底板下部邊緣。剖面2 在閘墩底板下部邊緣有最大0.21 MPa 的拉應(yīng)力。剖面3 最大拉應(yīng)力只有0.09 MPa。剖面4在牛腿前附近區(qū)域有0.43 MPa 的拉應(yīng)力，主要由作用在牛腿上的弧形門支鉸推力造成，范圍不大，左右對稱。剖面5 拉應(yīng)力數(shù)值不大，只有0.02 MPa，發(fā)生在底板上部邊緣。剖面6 最大拉應(yīng)力0.18 MPa。剖面7 全部承受壓應(yīng)力。從剖面6 可以看出，牛腿前附近范圍內(nèi)的豎向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力均數(shù)值不大，可見，該部位主要是順水流向拉應(yīng)力較大。

表3 正常蓄水工況下的局部應(yīng)力

圖4 中墩截面1 正應(yīng)力（σx）分布圖（正常蓄水位1 工況，單位：MPa）

圖5 中墩截面2 正應(yīng)力（σx）分布圖（正常蓄水位1 工況，單位：MPa）

5.2 設(shè)計地震工況局部應(yīng)力分析

溢洪道設(shè)計地震工況下的局部應(yīng)力云圖見圖6、圖7，局部應(yīng)力統(tǒng)計表見表4。從表4 中可以看出，剖面1 最大拉應(yīng)力有1.12 MPa，發(fā)生在閘墩上游堰面起坡處。剖面2 在閘墩側(cè)墻外側(cè)下部有最大0.64 MPa 的拉應(yīng)力，左右對稱。剖面3 在閘墩側(cè)墻外側(cè)靠近底板的部位有范圍不大的1.09 MPa 左右的拉應(yīng)力。剖面4 在牛腿前附近區(qū)域有0.65 MPa 的拉應(yīng)力，主要由作用在牛腿上的弧形門支鉸推力造成，范圍不大，左右對稱。剖面5 在底板頂部有0.09 MPa 的拉應(yīng)力。剖面6 在檢修門槽上、下游有0.86 MPa 的豎向拉應(yīng)力。剖面7 在檢修門槽靠近底板附近有3.77 MPa 的豎向拉應(yīng)力。

從剖面6 可以看出，牛腿前附近范圍內(nèi)的豎向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力均數(shù)值不大，可見，該部位主要是順水流向拉應(yīng)力較大。此外，從剖面7 可以看出，在設(shè)計地震工況，檢修門槽靠近底板附近有數(shù)值較大的豎向拉應(yīng)力，造成該處的最大主拉應(yīng)力達到3.77 MPa，超出C30 混凝土的抗拉強度設(shè)計值（為1.43 MPa），作用范圍不大。

表4 正常蓄水+ 地震工況下的局部應(yīng)力

圖6 中墩截面1 正應(yīng)力（σx）分布圖（設(shè)計加地震工況，單位：MPa）

圖7 中墩截面2 正應(yīng)力（σx）分布圖（設(shè)計加地震工況，單位：MPa）

6 結(jié)論

本文中的閘墩在正常蓄水位工況下各關(guān)鍵部位均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，表明閘墩的設(shè)計尺寸合理。在地震工況下，局部部位出現(xiàn)了拉應(yīng)力，但數(shù)值均不大，通過采取相應(yīng)的配筋措施即可滿足要求。