Phase2在岸塔式進水口整體穩定計算中的應用

呂東海 馮 華

（西北勘測設計研究院有限公司 陜西 西安 710065）

1 引言

岸塔式進水口由于對地形地質條件適應性較廣，在我國已建的水電站中得到了廣泛的應用，特別是引水式水電站。岸塔式進水口順水流方向的整體穩定，不同于重力壩和重力式擋墻靠自重維持穩定。岸塔式進水口正向承受水平荷載，背靠岸坡巖體，靠自重和岸坡巖體支撐維持穩定，其整體穩定不像重力壩和擋土墻，有沿水平建基面滑動和繞趾點傾覆的可能，只要塔背和塔底建基面法向應力在巖體允許承載力范圍之內，塔體就不會發生整體失穩。岸塔式進水口整體穩定計算普遍采用常規結構力學方法[1][2]。常規結構力學方法是將塔體視作剛體，在荷載作用下巖體受擠壓變形產生抗力，假定抗力按線性規律分布，自下而上連續分布，通過力的平衡條件和轉角相容條件列出方程組，然后求解方程組得到抗力值。此方法在每個工況計算時，首先要判斷塔體的“轉動趨勢”，然后根據“轉動趨勢”選擇計算公式，計算相對繁瑣，費時費力，筆者嘗試使用phase2二位彈塑性平面有限元分析軟件進行岸塔式進水口整體穩定的計算，該軟件便于一般工程設計人員操作使用，而且對計算機配置要求較低，因此，在實際應用過程中取得了較好的效果。

2 Phase2軟件簡介

Phase2軟件是由加拿大Rocscience公司開發的一款易于使用、穩定可靠的二維巖土工程彈塑性有限元分析和設計軟件。它被廣泛應用于各類工程項目分析中，包括地表或地下開挖的支護設計、邊坡穩定分析、地下水滲流分析以及概率分析等領域。它能夠輕松、快速地完成復雜的、多工況步的模型的建模分析，諸如軟巖或多節理巖體中的隧道、地下廠房洞室群、露天礦坑和邊坡、壩體、土工合成材料加筋土結構穩定性等等，能夠分析漸進破壞、土與結構相互作用及各種其它問題。

3 工程計算實例

3.1 工程概況

某電站為高壩大庫長引水式電站，電站進水口布置在壩前右岸，為岸塔式進水口。水庫正常蓄（設計洪）水位3240.00m，校核洪水位3241.00m，發電死水位為3220.00m，進水口底板高程為3211.00m，塔頂高程為3243.00m。順水流方向長度為14m，垂直水流方向寬度為9.5m，進水口橫剖面見圖1。進水口建筑物級別為3級，地震抗震設防烈度為8°，基巖水平峰值加速度為0.2g。

3.2 材料參數選取

根據地質報告，進水口建基面基巖裸露，基礎座落于弱風化塊狀～中厚層狀凝灰巖上，建基面無深層滑動面，覆蓋層和巖體主要物理力學參數見表1、表2，進水口塔體混凝土主要力學參數見表3。

3.3 計算假定

（1）模型計算采用摩爾—庫倫準則；

（2）地層和材料的應力應變均在彈性范圍內變化，應力場由自重自動生成；

（3）考慮空腔對塔體的影響作用，采用厚度折算的方法對混凝土容重進行折減；

（4）只研究塔底和塔背建基面上的應力和位移；

（5）塔底建基面上的揚壓力按全水頭考慮，塔背建基面上不考慮揚壓力。

3.4 二維有限元模型建立

模型建立的原則是在各工況下不會波及模型邊界，既可以保證數據可靠，又可以減少計算工作量。選取整個進水口為計算對象，進水口基礎、后邊坡、前沿延伸長度不小于5倍順水流方向長度，即70m。進水口和地基單元劃分采用三結點三角形單元，采用統一網格類型（見圖2），共劃分32261個三角單元，16340個節點。側面和底面為位移邊界，側面限制水平位移，底面限制垂直位移，上邊界為自由面，模型及邊界條件見圖3。為研究建基面上的應力和位移分布情況，采用節理模擬進水口塔底和塔背建基面。節理按一般節理考慮，節理沒有厚度，節理只傳遞壓應力，不承受拉應力，為了使節理不發生“侵入”和“重疊”現象[3]，假設法向剛度較大，節理參數設置見圖4、圖5。除完建工況外，其他各工況塔底揚壓力采用節理特性中的附加應力模擬。

圖1 某電站進水口橫剖面圖

表1 進水口覆蓋層主要物理力學參數表

表2 進水口巖體主要物理力學參數表

表3 進水口塔體混凝土主要力學參數值表

表4 Phase2程序與常規結構力學方法法向應力計算結果對比表

3.5 計算結果及分析

采用應用較為廣泛的摩爾—庫倫準則，計算得到完建、正常運行、校核洪水位、檢修及地震五個工況塔底和塔背建基面上法向應力、切向應力、法向位移及切向位移等一系列計算成果，見圖6～圖9。

圖2 有限單元劃分方式

圖3 二維有限元模型

圖4 節理（塔底建基面）參數設置

圖5 節理（塔背建基面）參數設置

圖6為各工況下塔底和塔背建基面上法向應力分布圖。由圖中應力分布數據可以看出，完建工況塔底建基面法向應力最大，且由上游到下游逐漸增大，塔背建基面法向應力基本為零，頂部局部有壓應力，但數值很小，這是因為完建后進水塔重心偏下游，塔體有繞底板順時針轉動的趨勢，其他各工況塔底建基面法向應力由上游到下游逐漸減小，塔背建基面法向應力由下部到上部逐漸增大，特別是地震工況增加幅度最大，這是由于受到水平力和揚壓力作用后，塔體對塔背建基面的擠壓作用更大。

圖7為各工況下塔底和塔背建基面上切向應力分布圖。由圖中應力分布數據可以看出，各工況下塔底和塔背建基面切向應力均較小，只有完建工況塔背局部出現了最大48kPa剪切應力，說明岸塔式進水口在各種荷載作用下建基面上剪切應力不是主要的。

圖8和圖9為各工況下塔底和塔背建基面上法向和切向位移分布圖，由圖中位移分布數據可以看出，在各工況下塔底和塔背建基面上法向和切向位移均較小，完建工況下最大，位移值為0.006m。

圖6 建基面各工況法向應力分布圖

圖7 建基面各工況切向應力分布圖

圖8 建基面各工況法向位移分布圖

圖9 建基面各工況切向位移分布圖

從以上各工況塔底和塔背建基面上法向應力、切向應力、法向位移及切向位移等一系列計算成果可以看出，岸塔式進水口在各種荷載作用下，建基面上主要以法向應力為主，切向應力、法向位移和切向位移均較小，基本可以忽略不計。因此，對岸塔式進水口進行整體穩定計算時，只要建基面上的法向應力在巖體允許承載力范圍之內，塔體就不會發生整體失穩。

4 二維有限元與常規結構力學計算結果對比

為了驗證Phase2程序計算結果的可信性，筆者同時采用常規結構力學方法[1][2]對岸塔式進水口各工況下塔背和塔底建基面上法向應力進行了計算，并與Phase2程序計算結果進行了對比，對比結果見表4。

從以上計算結果可以看出，兩種計算方法塔底和塔背建基面上法向應力分布趨勢基本一致，塔底建基面上法向應力Phase2程序計算結果較常規結構力學方法偏大，而塔背建基面上法向應力Phase2程序計算結果較常規結構力學方法偏小。總體來看，兩種方法的計算結果差別不大，建基面上法向應力的分布規律一致，說明采用Phase2程序的計算結果可信。

5 結論

通過采用Phase2程序對岸塔式進水口各工況下塔底和塔背建基面上法向應力、切向應力、法向位移、切向位移的計算，同時將塔底和塔背建基面上法向應力與常規結構力學方法所得結果進行對比，得出如下結論：

（1）采用Phase2程序所得計算結果，可以直觀的看到塔底和塔背建基面上應力和位移的分布情況。

（2）岸塔式進水口在各種荷載作用下，塔底和塔背建基面上主要以法向應力為主，只要塔底和塔背建基面上的法向應力在巖體允許承載力范圍之內，塔體就不會發生整體失穩。

（3）采用Phase2程序計算得出的塔底和塔背建基面上法向應力分布規律與常規結構力學方法一致，說明采用該程序進行岸塔式進水口整體穩定計算所得結果可信。

[1]楊欣先、李彥碩.水電站進水口設計[M].大連：大連理工大學出版社,1990.126-132.

[2]卞全.岸塔式進水口整體穩定計算方法的探討[J].西北水電，2008，(5):11-14.

[3]徐志英.巖石力學[M].北京：水利電力出版社.1981.229-233.

[4]鐘源清、秦湘.壓力墻式進水塔的穩定分析和反力計算[M].西安：水利電力部西北勘測設計研究院.1986.

[5]DL/T5398-2007《水電站進水口設計規范》[S].