某溢洪道堰閘段靜力和抗震性能三維有限元分析

李亞軍

(中國能源建設集團有限公司，北京 100029)

0 引言

根據水力設計要求，溢洪道堰閘段的閘墩墩頭型式應滿足過堰水流平順的要求［1］，一般采用圓弧或其他曲線型式。針對這種不規則的結構形狀，采用簡化的材料力學法求解應力、位移的精度不能滿足閘室設計要求，而三維有限元法可以求解結構形狀和邊界條件均復雜的力學問題［2］。本文針對某溢洪道堰閘段的實際工程，建立堰閘段結構的三維有限元模型，分析結構在最高運行水位下的靜力作用［3］，并采用振型分解反應譜法分析順水流向和橫水流向兩種地震作用效應［4，5］。本文的計算分析結果，為堰閘段的結構設計提供了依據，也可為類似工程提供參考。

1 工程概況

某水電站工程溢洪道堰閘段長50.00 m，堰上游寬81.45 m，下游寬72.00 m。堰頂高程 209.00 m，由 4孔 15.0 m(寬)×21.09 m(高)的設閘溢流堰組成。堰體上游坡度為1∶0.667，堰面曲線為Y=0.042 85X1.85。堰閘段縱向分縫位于每孔的中心線處，閘墩末端寬度為4.00 m，最寬處約6.50 m，閘墩采用預應力混凝土結構。堰閘段設弧形工作門和鋼疊梁檢修門，門庫設在堰閘段左側。堰閘段基礎齒槽高程190.00 m，在齒槽內設帷幕灌漿檢查排水廊道。閘墩頂設交通橋。

2 基本資料

2.1 計算模型

堰閘段模型按照設計圖紙進行建模，壩體周邊按實際設計體型考慮，構筑物基礎面按設計開挖形狀考慮。為了能正確反映壩體周邊的應力分布規律，地基模型范圍按下面標準選取［6］:堰閘段上游側取1.5倍堰閘段高度，下游側取2.0倍堰閘段高度，左右兩側和基礎分別取1.0倍堰閘段高度。模型結構如圖1所示。結構計算過程中，將地基和壩體作為連續體進行處理。模型均采用右手坐標系，坐標原點位于壩軸面、堰閘壩中心面、▽190.00 m高程水平截面的交點處。X軸正向指向順水流方向，Y軸正向為豎直方向向上，Z軸正向指向橫河流方向。

采用ANSYS空間六面體和四面體等參單元對整體結構進行了網格剖分。為提高構筑物與巖體接觸面附近的計算精度，上部壩體結構與基巖接觸部位的單元尺寸較小。堰閘段整體結構的總單元數為634 581個，節點數為267 006個。圖2為整體結構網格剖分圖。

2.2 計算工況及荷載

選取3個典型工況進行計算。工況1:結構在最高運行水位下的靜力工況;工況2:地震工況，水平地震加速度方向為Z軸方向，ah=0.10g，豎直地震加速度 av=0.067g;g=9.81 m/s2;工況3:水平地震加速度方向為X軸方向，ah=0.10g，豎直地震加速度av=0.067g;g=9.81 m/s2。

工況1下的荷載考慮堰閘段自重、設備重、上游水壓力、揚壓力及預應力。工況2、工況3除考慮上述荷載外，還施加地震慣性力和地震動水壓力。地震工況下，為反映堰閘壩整體結構拉應力作用區域及最大值，在動力計算結果與靜力計算結果疊加過程中，采用正正疊加(即正的動力結果+靜力結果)的方式。

依據水工建筑物抗震設計規范［7］，設計反應譜采用標準反應譜，Ⅰ類場地的特征周期Tg=0.2 s，設計反應譜最大代表值βmax=2.25，下限代表值βmin取最大代表值的20%，βT—T的曲線按規范選取。

2.3 材料屬性

混凝土靜態物理及力學參數見表1。考慮堰閘段混凝土體積較大，含筋量低，動力分析時，混凝土動態強度和動態彈性模量的標準值較其靜態標準值提高30%;動態抗拉強度的標準值取動態抗壓強度標準值的10%［6］。

表1 混凝土靜態物理及力學參數

基巖模型及物理參數按地質分層及鉆探資料選取。

3 計算結果及分析

3.1 整體位移

堰閘段在不同工況下的整體位移見表2。由表2可以看出，X向位移最大值出現在工況3，最大值為1.87 mm;Y向位移最大值出現在工況1，最大值為2.64 mm;Z向位移最大值出現在工況2，最大值為3.34 mm。結構在工況1，工況2，工況3作用下的整體位移最大值分別為 2.89 mm，3.46 mm 和2.97 mm，均較小，滿足規范要求。

表2 不同工況下的最大位移統計表 mm

3.2 門槽位移及分析

為全面反映門槽部位的變形，分別給出了與檢修門槽和弧形門槽變形相關的兩組數據，分別為:不同水平剖面閘門兩側門槽中心線的相對位移最大值ΔU1和門槽上下游兩側的相對位移最大值ΔU2。閘墩編號、門槽編號及相對位移說明圖見圖3，圖4，相對位移統計表見表3。

表3 檢修門槽、弧形門槽相對位移統計表 mm

計算結果表明，檢修門槽ΔU1的最大值出現在工況2中編號為J7，J8的檢修門槽處，其值為－1.50 mm;檢修門槽ΔU2的最大值出現在工況1中編號為J5的檢修門槽處，其值為0.05 mm。弧形門槽ΔU1的最大值出現在工況2中編號為H7，H8的弧形門槽處，其值為－1.57 mm;弧形門槽ΔU2的最大值出現在工況1中編號為H4的弧形門槽處，其值為0.025 mm。可以看出，各工況下門槽部位的相對位移均較小，不會影響閘門的正常啟閉。

3.3 整體應力

工況1作用下，堰閘段第一主應力最大值σ1max為2.90 MPa，第三主應力最小值σ3min為－14.7 MPa;工況2作用下，堰閘段第一主應力最大值σ1max為2.92 MPa;工況3作用下，迎水面大部分區域的第一主應力為壓應力，僅在左右擋水壩部分部位出現了主拉應力區;在弧形門下游部位，閘墩表面和溢流堰表面大部分區域為主拉應力區，但主拉應力均較小，基本不超過0.27 MPa。可以看出，3種工況下結構的整體拉應力均較小，輔以適當配筋，不會出現破壞性拉應力區。

3.4 閘墩側面及根部應力

地震工況為閘墩側面及根部設計的控制工況。

工況2作用下，中間閘墩D2的地震作用效應較為明顯。中間閘墩D2表面存在較大的主拉應力區，其中，應力值相對較大的主拉應力區出現在錨固豎井及門槽部位，最大主拉應力出現在錨固豎井處，最大值為1.00 MPa。D2閘墩根部的主拉應力區分布較廣，集中分布在弧形門槽部位，最大主拉應力為0.58 MPa。

工況3作用下，中間閘墩和邊墩的主拉應力分布及主拉應力值基本相同。閘墩表面相對較大的主拉應力區出現在錨固豎井及牛腿連接處下游部位，但上述部位的第一主應力較小，基本不超過0.47 MPa。閘墩根部的主拉應力分布區較小，僅出現在弧形門槽和閘墩根部下游部位，且該部位大部分主拉應力小于0.08 MPa。

4 結語

1)在3種典型工況作用下，堰閘段各向位移均較小，整體位移最大值出現在工況2，最大值為3.46 mm。

2)在3種典型工況作用下，堰閘段的整體拉應力較小，在第一主應力集中區域輔以適當配筋，即可避免出現拉應力破壞區。

3)在地震工況作用下，閘墩側面及根部的拉應力較小，按正常構造配筋即可滿足要求。

4)在3種典型工況作用下，檢修門槽和弧形門槽的兩類相對位移均較小，不會影響閘門的正常啟閉。

［1］DL/T 5166-2002，溢洪道設計規范［S］.

［2］Yuan·J.X.Identification of the Machine Tool Structural Parameters by Dynamic Data System(DDS)and Finite Element Method［D］.USA:University of Wisconsin-Madison，1983.

［3］崔建偉，管新建，孫小兵.堰閘壩結構的三維有限元靜力分析［J］.東北水利水電，2005，23(249):1-2，59.

［4］孫小兵，李新明.塔式進水口抗震性能研究［J］.中國農村水利水電，2010(3):87-90.

［5］郭鳳妍，樂金朝.堰閘壩結構的抗震性能分析［J］.南水北調與水利科技，2011，9(1):43-46.

［6］陳玉華，孫小兵，陳 晶.堰閘壩有限元靜力分析中地基模型的尺寸效應［J］.山西建筑，2009，35(33):367-368.

［7］DL 5073-2000，水工建筑物抗震設計規范［S］.