十三陵抽水蓄能電站上水庫引水事故閘門啟閉機室抗震安全分析

翟 潔，張 毅

（國網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵蓄能電廠，北京市 102200）

0 引言

十三陵抽水蓄能電站是我國北方地區(qū)建成的第一座大型抽水蓄能電站，電站上水庫工程等級為一等大（1）型，引水建筑物為1級建筑物，主要建筑物地震基本烈度為Ⅶ度[1]。鑒于《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）對十三陵上水庫工程區(qū)50年超越概率10%的地震動峰值加速度由0.15g調(diào)整為0.20g，相應地震基本烈度由Ⅶ度升至Ⅷ度[2]，需按照現(xiàn)行抗震規(guī)范規(guī)定對上水庫引水事故閘門啟閉機室進行抗震安全分析[3]，從而為上水庫工程安全評價和運行維護提供科學依據(jù)和技術支撐。

1 十三陵上水庫引水事故閘門啟閉機室概況

十三陵抽水蓄能電站引水事故閘門井距上水庫進/出水口約100m，距引水調(diào)壓井約250m，由漸變段、井座、井身、啟閉機排架和高程572.0m平臺組成。上水庫引水事故閘門啟閉機室由四根排架柱架起，排架柱架設在井身頂部與井壁一體的牛腿上。高程572.0m平臺由混凝土擋土墻和回填土石構成，平臺面鋪設20cm厚混凝土。

2 計算模型

2.1 有限元計算模型

對基巖、閘門井和啟閉機室等均采用高質量六面體單元離散[4]，閘門井水體、啟閉設備和閘門重量對結構的影響及屋頂結構采用附加質量單元處理。所得有限元模型共計包括270703個六面體單元、8296個附加質量單元和317827個節(jié)點，其中啟閉機房包括82614個六面體單元、5777個附加質量單元和119287個節(jié)點。所有梁柱的結合及樓板與梁柱的結合均按剛接考慮，地梁和地基的結合按接觸考慮。有限元模型的坐標原點位于572.0m高程閘門中心。坐標軸x軸正向為順水流方向，y軸正向為啟閉機室右側指向左側，z軸正向為豎直向上，引水事故閘門啟閉機室抗震分析有限元模型見圖1[5]。

圖1 引水事故閘門啟閉機室抗震分析有限元模型Figure 1 Finite element calculation model of upper reservoir emergency gate chamber

2.2 計算方法和假設

地震荷載作用下啟閉機室的動力反應計算采用振型分解反應譜分析方法，主要研究結構抗震承載能力極限狀態(tài)強度。計算時模型所涉及材料均近似按線彈性材料考慮，在計算系統(tǒng)自振頻率和相應振型時只考慮閘門井、啟閉機室、啟閉設備、閘門、樓梯和屋頂?shù)馁|量，地基質量假設為0；為保證計算精度，考慮到引水事故閘門啟閉機室結構振型的密集和復雜性，取前100階進行振型計算，地震作用效應不超過5%的高階振型略去不計，各型的地震作用效應采用完全二次型方根法組合。

2.3 計算工況和計算荷載

本文對以下兩種工況下的啟閉機室的變形和應力進行有限元計算，根據(jù)有限元計算進行結構承載力極限狀態(tài)強度復核。

工況1：正常蓄水位+地震（基本抗震復核）；

工況2：正常蓄水位+地震（補充抗震復核）。

靜力分析時荷載包括結構和設備自重、靜水壓力、風荷載、雪荷載、啟閉機室584.0m高程樓板和啟閉機室屋頂活荷載等，其中上水庫水位按正常蓄水位考慮。動力分析時閘門井內(nèi)動水壓力按附加在閘門井內(nèi)表面的質量考慮[6]。

2.4 計算參數(shù)

根據(jù)《水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范》(NB 35047—2015)，十三陵引水事故閘門啟閉機室的抗震設防類別為乙類。鑒于《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）對十三陵上水庫工程區(qū)50年超越概率10%的地震動峰值加速度由0.15g調(diào)整為0.20g，相應地震基本烈度由Ⅶ度升至Ⅷ度，相應特征周期為0.4s。閘門井和啟閉機室所處場地為I0類場地，其設計水平向地震動峰值加速度代表值ah調(diào)整為0.152g，相應的反應譜特征周期為0.25s。作為參考，本文亦取Ⅱ類場地基本地震動峰值加速度分區(qū)的峰值加速度范圍上限0.28g，對啟閉機室進行了補充抗震復核（以下簡稱參考地震）。進行參考地震抗震復核計算時水平向地震動峰值加速度按0.2128g取值，反應譜特征周期Tg采用較設計水平向地震動峰值加速度代表值ah=0.152g對應的反應譜特征周期0.25s提高0.05s，亦即0.3s[7-9]。

本文采用振型分解反應譜法計算地震作用效應，反應譜采用標準設計反應譜，對于啟閉機室，其標準設計反應譜最大值的代表值βmax參照《水工建筑物抗震設計規(guī)范》（NB 35047—2015）中對進水塔的規(guī)定，按βmax=2.25取值。綜上所述，十三陵上水庫引水事故閘門啟閉機室抗震復核地震參數(shù)見表1。

表1 上水庫引水事故閘門啟閉機室抗震復核地震參數(shù)Table 1 Seismic analysis parameters of upper reservoir emergency gate chamber

靜力計算所需材料參數(shù)包括基礎巖體、閘門井和啟閉機房排架結構混凝土以及啟閉機室普通磚和加氣混凝土磚砌體的密度、彈性模量和泊松比，具體取值見表2。靜力計算中不考慮巖體自重，動力分析中不考慮巖體質量，動彈性模量按表2中所示數(shù)據(jù)提高50%考慮[10]。

表2 閘門井和啟閉機室材料參數(shù)Table 2 Material parameters of gate shaft and upper reservoir emergency gate chamber

3 靜、動力計算分析

3.1 正常蓄水位下靜力計算分析

靜力計算結果表明，在靜力荷載作用下，拉應力較大部位（超過C25混凝土1級建筑物限裂應力1.38MPa）發(fā)生在預制梁端部、梁L11及L10的端部、地梁底部與立柱的結合部位、牛腿與閘門井的結合部、屋頂樓板支撐梁L-3b和L-4的中部。最大拉應力發(fā)生在屋頂樓板支撐梁L-3b的中部，其值為1.74MPa，在靜力荷載作用下，這些部位的混凝土具有開裂的風險，考慮到啟閉機室為限裂設計，上述各構件的實際配筋可滿足限裂要求。

3.2 設計地震作用下動力計算分析

與僅考慮靜力荷載作用的結果相比，在考慮設計地震的作用后，啟閉機室排架中、下部，亦即自圈梁QL1以下(包括圈梁QL1)各梁和柱中的最大拉應力顯著增加，尤其是梁L10、L10′、L11、L11′和預制梁 YL-1兩端的頂部和底部。在梁L11、L11′和預制梁YL-1上游端的底部、梁L11下游端的頂部和上游側梁L10兩端的頂部，以及預制梁YL-1下游端的頂部，第1主應力大范圍超過3.0MPa，在預制梁上游端底部最大達到5.7MPa, 在設計地震作用下，這些部位將會被拉裂。在圈梁QL1的東西兩側的上游端底部，第1主應力小范圍達到2.0MPa以上，局部達到2.5MPa以上，有一定開裂風險。上述各部位第1主應力的方向都近似水平，與梁的水平縱軸線平行，如圖2所示。

在設計地震的作用后，啟閉機排架上部(圈梁QL1頂部以上，尤其是584.0m高程樓面以上)各梁柱和樓板中的拉應力增加不明顯，拉應力較大的部位依然位于屋頂樓板支撐梁L-3b和L-4底面的中部。

3.3 參考地震作用下動力計算分析

圖2 設計地震下典型部位第1主應力分布Figure 2 First principal stress distribution of typical positions under design earthquake

與考慮設計地震作用后的結果相比，在考慮參考地震的作用后，啟閉機排架中、下部，亦即自圈梁QL1以下(包括圈梁QL1)各梁和柱中的最大拉應力大幅增加，除上節(jié)提及的各部位外，上游側立柱Z2底部、上游側梁L10和L10′東西兩端的底部、預制梁YL-1下游端的底部、梁L11和L11′下游端的底部、梁L11上游端的頂部、下游側梁L10西側頂部, 第1主應力亦大范圍超過3.0MPa，在預制梁上游端底部最大達到8.3MPa。

在考慮參考地震作用后，與考慮設計地震作用的結果相比，梁L10、L10′、L11、L11′、預制梁YL-1幾乎全斷面受拉，其頂部和底部的拉應力顯著增加，且拉應力要遠大于梁截面中心附近的拉應力。圈梁QL1底部的應力亦顯著增加，在圈梁QL1的東西兩側的上游端底部，第1主應力小范圍達到3.0MPa以上，局部達到3.5MPa以上(最大達到4.08MPa)，開裂風險很大。啟閉機排架上部(圈梁QL1頂部以上，尤其是584.0m高程樓面以上)各梁柱和樓板中的拉應力增加亦不明顯，拉應力較大的部位亦位于屋頂樓板支撐梁L-3b和L-4底面的中部，如圖3所示。

3.4 承載力極限狀態(tài)驗算分析

根據(jù)啟閉機室在設計地震和參考地震作用下的應力計算結果，按非桿件體系鋼筋混凝土結構的線彈性應力圖法對啟閉機室排架拉應力較大的構件進行承載力極限狀態(tài)配筋驗算，其結果見表3。從表3可以看出，在設計地震作用下，啟閉機室排架拉應力較大構件的實際配筋均滿足規(guī)范要求。在參考地震作用下，除預制梁YL-1外，啟閉機室排架其他各拉應力較大構件的實際配筋亦滿足規(guī)范要求，且有較大富裕。

圖3 參考地震下典型部位第1主應力分布Figure 3 First principal stress distribution of typical positions under reference earthquake

表3 啟閉機室結構承載力極限狀態(tài) 抗震復核配筋驗算結果 Table 3 Checking result of reinforcement for bearing capacity of upper reservoir emergency gate chamber

4 結論

十三陵上水庫引水事故閘門啟閉機室結構的三維有限元靜、動力計算分析結果表明，在考慮設計地震作用后，啟閉機房排架下部（圈梁QL1頂部以下）各梁柱內(nèi)的拉應力相對靜力計算結果顯著增加，尤其是預制梁YL-1，梁L10、L10′、L11和L11′兩端的頂部和底部，這些部位在設計地震作用下會發(fā)生開裂，但是承載力極限狀態(tài)配筋驗算結果表明，這些構件的實際配筋均明顯高于計算所需配筋，滿足規(guī)范要求。

在參考地震作用下，啟閉機室排架下部（圈梁QL1頂部以下）各梁柱內(nèi)的應力進一步大幅增加，尤其是預制梁YL-1，梁L10、L10'、L11和L11'兩端的頂部與底部和上游側立柱Z2的底部及圈梁QL1的東西兩側的上游端底部，在參考地震作用下會發(fā)生開裂，但配筋驗算結果表明，除預制梁YL-1外，其他各構件的實際配筋均滿足規(guī)范要求，且具有較大富裕。

綜上所述，在設計地震和參考地震的作用下，十三陵上水庫引水事故閘門啟閉機室排架下部的部分梁柱（主要是預制梁YL-1, 梁L10、L10′、L11和L11′兩端的頂部和底部）會出現(xiàn)開裂損壞，除預制梁YL-1外，其他構件極限承載力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。建議對梁L10和L11，尤其是預制梁YL-1進行適當加固處理[11]，以降低其在設防地震作用下的損壞程度，提高啟閉機室的抗震安全性。