某水電站進(jìn)水塔靜力穩(wěn)定性分析

宋增偉，李元慶

(沂水縣跋山水庫(kù)管理處，山東 沂水 276400)

1 概 述

進(jìn)水塔作為水利樞紐的一個(gè)重要組成部分，一旦受到破壞，將嚴(yán)重影響電站的正常運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析有著重要意義。程漢昆等[1]基于Ansys對(duì)進(jìn)水塔的抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行分析；尚俊偉等[2]對(duì)進(jìn)水塔塔體各關(guān)鍵部位的受力情況進(jìn)行了分析，并采取相應(yīng)措施以保證進(jìn)水塔的穩(wěn)定性；劉云賀等[3]基于黏彈性邊界分析了高聳進(jìn)水塔的地震動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本文基于大型有限元軟件ABAQUS建立某進(jìn)水塔地基靜力分析模型，進(jìn)行了三維有限元靜力計(jì)算，分析空庫(kù)及正常運(yùn)行工況下進(jìn)水塔的應(yīng)力、位移分布規(guī)律，總結(jié)評(píng)價(jià)最大應(yīng)力產(chǎn)生的原因，并針對(duì)性地提出相應(yīng)的加固處理措施。

2 模型和計(jì)算工況

2.1 計(jì)算模型

某水電站采用岸塔式進(jìn)水口，共4個(gè)。進(jìn)水口底板高程為2 794.00 m，塔頂高程為2 902.00 m。塔高108.00 m，單個(gè)順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度為34.58 m，垂直于水流方向?qū)挾葹?1.40 m。塔背與山體之間有回填混凝土，回填混凝土高程為2 818.00～2 857.00 m，回填高度為39.00 m。

1) 坐標(biāo)系的說明。取左側(cè)進(jìn)水塔的左邊墩的左側(cè)外表面、迎水面以及底板上表面3面的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)。X軸為豎直方向，向上為正；Y軸為沿水平方向且垂直于水流方向，向右為正；Z軸為水平方向，順?biāo)鞣较?，指向下游為正?/p>

2) 計(jì)算范圍。選取兩個(gè)相鄰的進(jìn)水塔作為計(jì)算模型，自上游到下游左側(cè)進(jìn)水塔為①號(hào)進(jìn)水塔，右側(cè)為②號(hào)進(jìn)水塔。

塔體部分：下部邊界取至底板下表面，高程為2 788 m，上部邊界取至塔頂蓋板，高程為2 902 m，計(jì)算總模擬高度為114 m。

地基部分：向上游延伸53.8 m，向下游延伸81 m，左右兩側(cè)分別與塔體分縫邊墩外側(cè)表面一致，地基深度為114 m。

3) 網(wǎng)格劃分。本次計(jì)算采用ABAQUS的C3D8八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，計(jì)算模型共有109 872個(gè)單元、142 552個(gè)節(jié)點(diǎn)。

4) 邊界條件。地基的四周表面采用法向約束，地基的下表面進(jìn)行全約束，塔體之間為自由面。

進(jìn)水塔及地基的整體三維離散模型見圖1和圖2，計(jì)算采用的材料參數(shù)見表1。

圖1 水電站進(jìn)水塔及地基的整體三維有限元模型

圖2 水電站進(jìn)水塔三維有限元模型

表1 材料力學(xué)性能表

2.2 計(jì)算工況

校核洪水位為2 896.82 m，而正常蓄水位為2 895.00 m，兩者相差不大。因此，本文靜力計(jì)算只考慮以下兩種工況，見表2。

表2 計(jì)算工況

3 穩(wěn)定性分析

3.1 空庫(kù)工況結(jié)果分析

1) 最大拉應(yīng)力。塔體的拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在進(jìn)水塔中墩與邊墩之間的連系梁上，而且每層連系梁的最大值一般出現(xiàn)在與攔污柵墩的相交的位置。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在中墩與邊墩之間的最下面一排連系梁(高程為2 822.80 m)上，其值為2.908 MPa。方向?yàn)樵赮軸方向(水平垂直于水流方向)。同時(shí)，進(jìn)水塔喇叭口出流道頂板中部位置也出現(xiàn)了0.138～2.384 MPa的拉應(yīng)力集中區(qū)。見圖3。

2) 最大壓應(yīng)力。壓應(yīng)力呈現(xiàn)出隨著高程降低而逐漸增大的趨勢(shì)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在塔體底部的邊墩位置，方向?yàn)樨Q直向下方向，其最大值為10 MPa。流道的邊墻位置也出現(xiàn)大約7.347 MPa的壓應(yīng)力。見圖4。

3) 位移分布情況。豎直方向(X向)位移U1，在初始地應(yīng)力與結(jié)構(gòu)自重的作用下，X向位移主要是結(jié)構(gòu)沉降，最大值出現(xiàn)在邊墩的上部，最大值為-9.838 mm，底板的豎向位移為-2.582 mm。結(jié)構(gòu)的豎向位移呈現(xiàn)出沿高程遞增而變大的趨勢(shì)。水平垂直于水流方向(Y向)的位移呈現(xiàn)出以進(jìn)水塔的中軸線對(duì)稱，最大值出現(xiàn)在進(jìn)水塔左側(cè)邊墩的下部位置，最大值為-0.813mm，右側(cè)邊墩的下部最大位移為0.774 7 mm，兩側(cè)的邊墩下部有分別向兩側(cè)彎曲的趨勢(shì)。在順?biāo)鞣较?Z向)，進(jìn)水塔的中墩和邊墩的下部表現(xiàn)為正向位移，最大值為0.791 6 mm，而進(jìn)水塔的中上部表現(xiàn)為-Z向位移，最大值為1.616 mm。結(jié)構(gòu)綜合位移最大值出現(xiàn)在進(jìn)水塔的頂部，最大值為9.952 mm，綜合位移也呈現(xiàn)出沿進(jìn)水塔高程降低而變小的趨勢(shì)。各向位移分布情況見圖5-圖8。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在進(jìn)水塔邊墩與中墩之間的連系梁上。這是因?yàn)檫叾赵谥亓ψ饔孟?，其下部有分別向兩側(cè)彎曲的趨勢(shì)以及中墩與邊墩的不均勻沉降導(dǎo)致下部的連系梁拉較嚴(yán)重，出現(xiàn)了最大拉應(yīng)力。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在進(jìn)水塔攔污柵墩的底部，則是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)自重引起的。

圖3 工況1下Y向應(yīng)力分布云圖

圖4 工況1下X向應(yīng)力分布云圖

圖5 工況1下X向位移分布云圖

圖7 工況1下Z向位移分布云圖

圖6 工況1下Y向位移分布云圖

圖8 工況1下綜合位移云圖

3.2 正常運(yùn)行工況結(jié)果分析

1) 最大拉應(yīng)力。拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在進(jìn)水塔的垂直于水流方向(Y向)連系梁與中墩和邊墩的交接處，并且呈現(xiàn)出沿高程降低而增大的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在最下面一排連系梁(高程為2 822.80 m)與邊墩的交接處，其值為3.618 MPa，見圖9。進(jìn)水塔底部流道頂板無明顯拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2) 最大壓應(yīng)力。進(jìn)水塔壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在高程為2 857 m的塔背位置，最大值為10.24 MPa，見圖10。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，當(dāng)結(jié)構(gòu)施加靜水壓力以后，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況分布發(fā)生了明顯變化。最大拉應(yīng)力變?yōu)?.618 MPa，拉應(yīng)力增大是因?yàn)樵谶M(jìn)水塔外圍靜水壓力的荷載，而塔體與塔體之間卻因此存在分縫和止水，并沒有靜水壓力，①號(hào)進(jìn)水塔上部整體向Y軸正方向傾斜，②號(hào)進(jìn)水塔整體向Y軸負(fù)方向傾斜，兩個(gè)進(jìn)水塔靠近分縫的邊墩受靜水壓力的作用導(dǎo)致最下面一排連系梁被拉伸，因此在最下面一排Y向連系梁與邊墩的位置出現(xiàn)最大拉應(yīng)力。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在順?biāo)鞣较颍靥罨炷粮叱痰乃澄恢?，這是因?yàn)樵趦蓚?cè)靜水壓力的作用下導(dǎo)致①號(hào)進(jìn)水塔呈現(xiàn)出逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，而②號(hào)進(jìn)水塔呈現(xiàn)順時(shí)針扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，因此導(dǎo)致該高程的塔背位置出現(xiàn)最大壓應(yīng)力。由于結(jié)構(gòu)與荷載的對(duì)稱性，因此位移和應(yīng)力均呈現(xiàn)出以分縫面為對(duì)稱軸的對(duì)稱性分布。

3) 位移分布情況。①號(hào)進(jìn)水塔在各方向的位移與②號(hào)進(jìn)水塔的位移情況呈對(duì)稱分布，對(duì)稱軸為兩個(gè)進(jìn)水塔分縫的中線。豎直方向(X向)位移，①號(hào)進(jìn)水塔沿Y向逐漸減小并且逐漸變負(fù)向位移，其中正向最大位移為24.65 mm，負(fù)向最大位移為40.71 mm，即從上游到下游看去，①號(hào)進(jìn)水塔的左側(cè)位移豎直向上、右側(cè)位移豎直向下，②號(hào)進(jìn)水塔右側(cè)位移豎直向上、左側(cè)位移豎直向下。水平垂直于水流方向(Y向)位移，沿高程遞增而變大，最大位移也是出現(xiàn)在邊墩的上部，①號(hào)進(jìn)水塔正向位移最大值為35.79 mm，②號(hào)進(jìn)水塔負(fù)向位移最大為35.22 mm。順?biāo)鞣较?Z向)位移從分縫位置到兩側(cè)逐漸減小并且由正到負(fù)，其中正向位移最大為16.62 mm，負(fù)向最大位移為10.43 mm。綜合位移呈現(xiàn)出沿高程增大逐漸增大的趨勢(shì)，3向最大位移均是出現(xiàn)在進(jìn)水塔邊墩的上部。工況2下各向位移及綜合位移情況見圖11-圖14。

圖9 工況2下Y向應(yīng)力分布云圖

圖11 工況2下X向位移分布云圖

圖10 工況2下Z向應(yīng)力分布云圖

圖12 工況2下Y向位移分布云圖

圖13 工況2下Z向位移分布云圖

圖14 工況2下綜合位移云圖

4 結(jié) 論

1) 通過對(duì)某水電站進(jìn)水塔進(jìn)行靜力分析，空庫(kù)及正常運(yùn)行工況下最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在進(jìn)水塔最下面一排沿垂直于水流方向的連系梁上，其大小分別是2.908、3.618 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范要求。

2) 兩種工況下最大拉應(yīng)力均是由于邊墩變形引起的，因此建議增大邊墩的剛度，以盡量減小因?yàn)檫叾兆冃味鴮?dǎo)致連系梁拉應(yīng)力過大的情況。