旭龍水電站進(jìn)水塔抗震穩(wěn)定性分析

摘要：

旭龍水電站所處工程區(qū)的地震基本烈度為Ⅷ度，屬于高地震區(qū)。為研究進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，采用三維有限元分析軟件，運(yùn)用振型分解反應(yīng)譜法計算進(jìn)水口在靜動力各工況下的變形和應(yīng)力分布，并對進(jìn)水塔的整體穩(wěn)定和基底應(yīng)力進(jìn)行了驗算。結(jié)果表明：在各工況下，進(jìn)水塔各部位一般應(yīng)力均在規(guī)范許可的范圍內(nèi)，整體穩(wěn)定及基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，旭龍水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震性能良好。研究成果可為類似進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：

進(jìn)水塔； 高地震區(qū)； 振型分解反應(yīng)譜法； 基底應(yīng)力； 旭龍水電站

中圖法分類號：TV732.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.009

文章編號：1006-0081（2024）07-0053-06

0 引 言

水電站進(jìn)水塔是位于輸水系統(tǒng)首部、按機(jī)組負(fù)荷要求引進(jìn)發(fā)電用水的取水建筑物，進(jìn)水塔破壞直接影響到發(fā)電。從汶川地震對紫坪鋪水庫的影響來看［1］，水庫大壩的主體結(jié)構(gòu)并沒有受到功能性破壞，反而電站進(jìn)水塔受到了較大影響。某種程度而言，進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)是影響水利樞紐工程抗震安全性的重要因素，電站進(jìn)水塔的抗震穩(wěn)定性分析對水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。

目前NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)計算應(yīng)采用動力法或擬靜力法，抗震設(shè)防為甲類或設(shè)計烈度Ⅷ度以上的進(jìn)水塔宜采用動力法計算其地震作用效應(yīng)，且宜采用振型分解法。現(xiàn)如今大多數(shù)水電站均采用振型分解反應(yīng)譜法來對進(jìn)水塔進(jìn)行動力計算［2-5］。張柏成等［6］采用振型分解反應(yīng)譜法對百色水電站進(jìn)水塔進(jìn)行動力分析；孟江波等［7］采用三維有限元分析軟件，運(yùn)用振型分解反應(yīng)譜法和時程法，對白鶴灘水電站進(jìn)水口進(jìn)行計算，驗證了進(jìn)水口的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；范書立等［8］分別采用擬靜力法和振型分解反應(yīng)譜法對雅礱江官地水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，結(jié)果表明，用振型分解法計算抗傾覆穩(wěn)定性更加保守。

本文采用ANSYS大型有限元計算軟件，運(yùn)用振型分解反應(yīng)譜法，對旭龍水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)在靜、動力荷載組合作用下塔體的應(yīng)力及變形的分布規(guī)律進(jìn)行分析研究。通過對進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力及位移等計算結(jié)果的分析，驗算了塔體的整體穩(wěn)定和基底應(yīng)力，論證了塔體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性，并對薄弱部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計給出合理性建議，為后續(xù)設(shè)計提供參考。

1 工程概況

旭龍水電站工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，并促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，其所在工程區(qū)地震烈度高。工程位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上游河段，是金沙江上游河段“一庫十三級”梯級開發(fā)方案中的第12級，是西電東送的骨干電源點(diǎn)之一。旭龍水電站下游距奔子欄鎮(zhèn)72.8 km，上游距昌波電站壩址75.5 km，東南距得榮縣直線距離約16 km，東距甘孜州310 km，南距香格里拉和虎跳峽分別約156 km和247 km，東北距成都直線距離約520 km，東南距昆明直線距離約540 km。

壩址多年平均流量990 m3/s，多年平均徑流量313億m3。水庫正常蓄水位2 302 m，死水位2 294 m，調(diào)節(jié)庫容1.26億m3；設(shè)計洪水位2 303.42 m，校核洪水位2 305.89 m，總庫容約8.47億m3。水電站裝機(jī)容量2 400 MW，多年平均年發(fā)電量約105.14億kW·h。

樞紐工程主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)和過魚設(shè)施等主要建筑物組成。其中，引水發(fā)電建筑物布置在右岸，主要由進(jìn)水口、引水隧洞、主廠房及安裝場、主變洞、交通電纜豎井、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、尾水出口、地面開關(guān)站、交通洞、通風(fēng)排煙系統(tǒng)及廠外排水系統(tǒng)等組成。

進(jìn)水口采取抗震性能較好的岸塔式進(jìn)水塔，4個進(jìn)水塔一字排開，順?biāo)飨蚍譃閿r污柵段、進(jìn)水倉段和閘門段，依次布置攔污柵槽、檢修閘門槽、快速事故閘門槽。進(jìn)水塔單塔寬度30.0 m，順?biāo)飨蜷L26.0 m，塔頂高程2 308.0 m，建基面高程2 265.0 m，進(jìn)水塔尺寸為120.0 m×26.0 m×43.0 m（長×寬×高）。

2 有限元靜動力分析

2.1 計算參數(shù)

塔體混凝土采用C30混凝土，彈性模量為30 GPa，泊松比0.167，重度25 kN/m3。

進(jìn)水塔基巖為以塊狀為主的微新花崗巖、混合巖，變形模量為22.5 GPa，泊松比為0.225。依據(jù)NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》要求，動力計算中，動彈模取靜彈模的1.5倍。地基按無質(zhì)量地基考慮。

根據(jù)NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定及本工程進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，抗震計算同時考慮了順流向、垂直流向和豎向地震作用?？偟卣鹦?yīng)取各方向地震作用效應(yīng)的平方和方根值。旭龍水電站工程基本烈度為Ⅷ度，電站進(jìn)水口抗震設(shè)防類別為乙類，水平向設(shè)計地震加速度代表值取基準(zhǔn)期50 a內(nèi)超越概率5%的地震動峰值加速度，為0.238g。豎直向設(shè)計地震加速度代表值取水平向的2/3，為0.159g。旭龍水電站地震主震周期Tg=0.35 s，反應(yīng)譜最大值的代表值βmax=2.25，結(jié)構(gòu)阻尼比ξ=7％。

2.2 計算工況

① 完建工況：結(jié)構(gòu)自重+設(shè)備重量。② 正常運(yùn)行工況：結(jié)構(gòu)自重+設(shè)備重量+水壓力+揚(yáng)壓力。③ 地震動力響應(yīng)工況：順?biāo)飨虻卣?垂直水流向地震+豎向地震。④ 靜動疊加工況：正常運(yùn)行工況與地震動力響應(yīng)組合。

2.3 計算模型

旭龍水電站進(jìn)水口屬非壅水建筑物，建筑物級別為1級。結(jié)構(gòu)模型中不考慮各門槽二期混凝土，主要由底板、攔污柵墩、胸墻攔污柵墩連系梁、閘室段等部分組成。

計算模型及材料分區(qū)見圖1，共劃分274 700個單元，161 351個結(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分較精細(xì)，保證了數(shù)值計算的準(zhǔn)確性?；鶐r模擬范圍：下游及深度方向各取約1.5倍的結(jié)構(gòu)高度，頂部取至2 308.0 m高程。基巖底部全約束，各側(cè)面法向約束。坐標(biāo)軸方向：X軸為垂直水流向，指向左岸為正；Y軸為順?biāo)飨?，指向上游為正；Z軸豎直向上。

2.4 靜力計算結(jié)果

（1） 位移。正常運(yùn)行工況時，基礎(chǔ)沉降最大值為0.50 mm；結(jié)構(gòu)其余各方向位移均較小，數(shù)值均在2.00 mm以內(nèi)。

（2） 應(yīng)力。完建工況時，順流向最大拉應(yīng)力位于塔體右側(cè)空腔頂部主梁跨中部位，高程2 306.5 m處，約1.08 MPa；垂直流向最大拉應(yīng)力位于進(jìn)水流道頂部表面，值約0.70 MPa。除局部應(yīng)力集中外，結(jié)構(gòu)豎向拉應(yīng)力值均較小。建基面處最大壓應(yīng)力為0.78 MPa。正常運(yùn)行工況時，順流向最大拉應(yīng)力位于塔體右側(cè)空腔頂部主梁跨中部位、高程2 306.5 m處，約為1.25 MPa；垂直流向最大拉應(yīng)力位于塔體右側(cè)空腔頂部次梁端部，最大值為0.71 MPa。除在邊角部位與頂部加荷處存在應(yīng)力集中外，豎向拉應(yīng)力值均較小。建基面豎向壓應(yīng)力最大值約0.50 MPa。除應(yīng)力集中外，塔體剪應(yīng)力值均較小，τxy，τyz，τxz最大值分別約為0.32，0.99，0.76 MPa。最大主應(yīng)力位于塔體右側(cè)空腔頂部主梁跨中部位，為1.26 MPa。

2.5 動力計算結(jié)果

（1） 自振特性。共計算了20階振型，前20階固有頻率范圍為5.24～37.39 Hz，見表1，前3階振型見圖2。結(jié)構(gòu)第一階為順流向振型，第二階為垂直流向振型，第三階為扭轉(zhuǎn)振型，振型變位最大值均出現(xiàn)在塔體頂部。

（2） 動位移。動力工況，水平向和豎向地震共同作用下，結(jié)構(gòu)順河向位移較大，最大位移7.47 mm，出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂部。其他兩個方向的位移相對較小，垂直流向、豎向位移的最大值分別為5.45 mm、2.01 mm。建基面順流向最大位移為0.30 mm，豎向位移最大值為0.46 mm，垂直流向位移較小，均小于0.10 mm。

（3） 動應(yīng)力。依據(jù)NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)采用動力法計算地震作用效應(yīng)時，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的動應(yīng)力應(yīng)進(jìn)行折減，折減系數(shù)為0.35。折減后的塔體結(jié)構(gòu)動應(yīng)力計算成果如下。水平向和豎向地震作用下，結(jié)構(gòu)順流向最大應(yīng)力位于攔污柵墩左側(cè)斜支撐梁端部，約2.57 MPa，位于高程2 279 m。垂直流向最大應(yīng)力出現(xiàn)在塔身靠山體右側(cè)角點(diǎn)，約2.63 MPa，屬局部角點(diǎn)應(yīng)力集中，其余部位應(yīng)力值均較小。豎向較大應(yīng)力主要出現(xiàn)在攔污柵墩上游根部、塔體上游墻根部、塔體下游墻根部，除應(yīng)力集中外，最大應(yīng)力達(dá)2.75 MPa。地震作用下，建基面豎向最大應(yīng)力為0.60 MPa。

（4） 動力加速度。順流向地震單獨(dú)作用下，結(jié)構(gòu)頂部順流向最大加速度為8.2 m/s2，動力放大系數(shù)為3.5；垂直流向地震單獨(dú)作用下，結(jié)構(gòu)頂部垂直流向最大加速度為12.2 m/s2，動力放大系數(shù)為5.2；豎向地震單獨(dú)作用下，結(jié)構(gòu)頂部豎直向最大加速度為5.0 m/s2，動力放大系數(shù)為2.1。

2.6 靜動疊加計算結(jié)果

2.6.1 疊加位移

靜動組合時，疊加位移考慮動位移的正、負(fù)方向，分別將靜位移和動位移直接相加（靜＋動）和相減（靜－動）進(jìn)行組合，以獲得最大的位移值，塔體位移分布如圖3所示。

由于靜力工況產(chǎn)生的位移較小，靜動疊加位移基本上與動力位移接近。靜動疊加工況下，結(jié)構(gòu)順流向位移較大，最大位移為7.82 mm，位于結(jié)構(gòu)頂部；垂直流向、豎向位移相對較小，分別為5.46 mm、3.65 mm。

建基面處順流向位移最大值為0.37 mm，垂直流向位移最大值為0.10 mm，豎向位移最大值為0.88 mm。

2.6.2 疊加應(yīng)力

靜動疊加的應(yīng)力，主要按混凝土受拉不利考慮。塔體結(jié)構(gòu)動應(yīng)力均為折減后的成果，塔體應(yīng)力分布見圖4。

順流向最大拉應(yīng)力位于攔污柵墩與塔體之間的支撐梁上游端部，最大應(yīng)力約為2.90 MPa，位于高程2 285.4 m。垂直流向最大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在塔身靠山體右側(cè)角點(diǎn)，約為2.71 MPa，屬局部角點(diǎn)應(yīng)力集中。豎向較大應(yīng)力主要出現(xiàn)在攔污柵墩與頂層支撐梁交接處，位于高程2 301.4 m，最大應(yīng)力達(dá)1.57 MPa。

τxy最大應(yīng)力在支撐梁上游端部約1.37 MPa。τyz最大應(yīng)力在進(jìn)水流道左側(cè)弧面，最大值約1.76 MPa。τxz最大應(yīng)力位于攔污柵墩底部，最大值約1.65 MPa。

最大主應(yīng)力在順流向聯(lián)系梁處較大，與塔體上游墻交接位置存在應(yīng)力集中，最大值為3.51 MPa。

為得到混凝土的最大壓應(yīng)力，將動應(yīng)力中的正應(yīng)力視為壓應(yīng)力后與靜應(yīng)力疊加，剪應(yīng)力取與靜應(yīng)力相同的符號。塔體結(jié)構(gòu)動應(yīng)力均為折減后的成果。結(jié)構(gòu)最大主壓應(yīng)力均小于5.1 MPa，塔體應(yīng)力分布見圖5。

3 進(jìn)水塔整體穩(wěn)定及基底應(yīng)力計算

根據(jù)NB/T 10858-2021《水電站進(jìn)水口設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的荷載組合（表2），分別計算了正常蓄水位、設(shè)計洪水位、完建未擋水、檢修狀況、校核洪水位以及地震情況下的進(jìn)水塔整體穩(wěn)定及建基面應(yīng)力情況。進(jìn)水塔各工況下整體穩(wěn)定計算結(jié)果見表3，進(jìn)水塔建基面應(yīng)力計算結(jié)果見表4。

計算結(jié)果表明：進(jìn)水塔各工況下沿建基面抗滑、抗浮及抗傾覆穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求；正常使用極限狀態(tài)計算中，建基面無拉應(yīng)力出現(xiàn)；最大壓應(yīng)力為1.08 MPa，出現(xiàn)在水平向地震力指向下游時的進(jìn)水塔的下游側(cè)，但小于地基巖體允許承載力，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

本文對旭龍水電站進(jìn)水塔的抗震穩(wěn)定性進(jìn)行分析計算，得到如下結(jié)論。

（1） 靜動力計算及整體穩(wěn)定和基底應(yīng)力計算結(jié)果表明塔體整體抗震性能較好。進(jìn)水塔在靜力工況下，各部位變形較小，除應(yīng)力集中外，一般應(yīng)力均在規(guī)范許可的范圍內(nèi)，可保證進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)安全及正常運(yùn)行；遭遇設(shè)計烈度地震時，結(jié)構(gòu)安全可以滿足規(guī)范要求；基礎(chǔ)面最大壓應(yīng)力為1.08 MPa，小于地基巖體允許承載力；在持久狀況和短暫狀況各工況下，建基面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)抗滑、抗浮、抗傾覆性能均滿足要求。

（2） 塔體尺寸在平面上是一個矩形結(jié)構(gòu)，順?biāo)飨蚣按怪彼飨蚩箯潉偠认嗖畈淮?，比較對稱均勻。

塔體本身高度不大，且體型為岸塔式，背部依靠山體，加上結(jié)構(gòu)斷面尺寸及混凝土實(shí)體/空腔的比例相對較大，塔體結(jié)構(gòu)整體剛度較高，其自振頻率因而較高。進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)第一階自振周期（0.19 s）在地震卓越周期范圍內(nèi)，但小于場地地震特征周期，塔體的結(jié)構(gòu)設(shè)計對抗震是有利的。

（3） 進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)地震應(yīng)力不突出，通過配筋設(shè)計等措施可以保證塔體結(jié)構(gòu)整體動態(tài)強(qiáng)度。局部應(yīng)力集中現(xiàn)象不可避免，主要多集中在塔體或攔污柵墩與梁的連接部位及一些角點(diǎn)部位，這些部位均是抗震設(shè)計需要重點(diǎn)關(guān)注的地方。

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（編輯：高小雲(yún)）

Seismic stability analysis of intake tower of Xulong Hydropower Station

CHEN Jieping，SUN Haiqing，ZHANG Biao

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The basic seismic intensity of Xulong Hydropower Station is Ⅷ degree，which belongs to a high seismic area. In order to study the seismic design of the intake tower structure，the three-dimensional finite element analysis software was adopted，and the mode decomposition response spectrum method was used to calculate the deformation and stress distribution of the intake tower under various static and dynamic conditions，and the overall stability of the intake tower and the foundation stress were checked. The results showed that under various working conditions，the general stress in various parts of the intake tower was within the allowable range of the specifications，and the overall stability and foundation stress could meet the requirements of the specifications，the seismic performance of the intake tower structure of Xulong Hydropower Station was good. The research results can provide a reference for similar structure design of intake tower.

Key words：

intake tower； high earthquake area； mode decomposition response spectrum method； foundation stress； Xulong Hydropower Station