確如多水電站泄洪洞及洞臉邊坡的三維動力響應分析

李紅 柳樹搖 李楨

摘 要：確如多水電站泄洪洞結構復雜，洞臉邊坡陡竣，在高地震烈度區(qū)表現(xiàn)為復雜的動力特性，塔體結構的穩(wěn)定性直接關系到結構的安全性及設計的合理性。文章采用三維動力反應譜分析方法，進行了泄洪洞及洞臉邊坡的結構動位移和動應力響應，并對整體結構的穩(wěn)定性進行了評價。計算結果表明，確如多水電站泄洪洞及洞臉邊坡在地震作用下是穩(wěn)定的。

關鍵詞：泄洪洞；高邊坡；有限元；動力響應分析

1 工程概況

確如多水電站位于四川省甘孜州理塘縣無量河，工程由混凝土面板堆石壩、地面廠房、電站取水塔、泄洪洞及放空洞等主要建筑物組成。

泄洪洞布置在大壩右壩肩山體內(nèi)，由進水渠、控制段、隧洞收縮段、隧洞泄槽段、明槽泄槽段、挑流鼻坎段組成，軸線總長559.63m。泄洪洞進口邊坡開挖高度約70m，開挖坡比1：0.3，采取錨桿及掛網(wǎng)噴砼進行支護。

2 動力分析的基本理論

根據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》，采用振型分解反應譜分析法，并將地震分析結果與正常水位相組合。采用振型分解的反應譜法對結構進行動力分析時，各個自振周期的單自由度結構的最大地震反應可由設計反應譜曲線上查出。設計反應譜曲線是在已定阻尼比（如0.05）的情況下，單自由度結構的動力放大倍數(shù)β與自振周期T的關系曲線。β=a/（kg），此處，a為結構的最大加速度，k為地震烈度的設計地震系數(shù)。《水工建筑物抗震設計規(guī)范》中所給出的設計反應譜曲線是根據(jù)大量國內(nèi)外強震記錄計算結果的統(tǒng)計資料基礎上給出的均值反應譜，具有代表性，可供設計應用。

動力工況的計算步驟：（1）根據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》及工程區(qū)的地震設計烈度、設計地震峰值加速度、地震動反應譜特征周期等參數(shù)，獲得本工程的頻率-反應譜曲線；（2）采用靜力有限元計算模型，并將材料的靜彈性模量變成動彈性模量，進行整體結構的模態(tài)分析，得到整體結構的前10階自振頻率及振型；（3）根據(jù)得到的頻率-反應譜曲線進行整體結構的響應譜分析，得到各階自振頻率的設計反應譜值β；（4）進行整體結構的模態(tài)擴展分析，即根據(jù)地震強度、設計反應譜值及相應的振型曲線計算各振型參與系數(shù)及地震反應最大值；（5）進行整體結構的模態(tài)合并分析，由于地震是隨機性運動，各振型的最大地震反應不會同時出現(xiàn)，按隨機事件組合的規(guī)律，將各階振型最大反應值平方求和，再開平方作為綜合各振型影響的建筑物的最大反應，再與其他效應組合，即為在地震狀況下建筑物的作用效應；（6）將反應譜分析結果與正常水位作用下的靜力分析結果相組合，從而得到整體結構在動力工況下的變形和應力。

3 計算成果分析

計算坐標系原點取在泄洪洞上游邊墻，X方向為沿水流方向從上游指向下游為正，以上游邊墻處為零點，Y方向為鉛直向上方向，以海拔零高程為零點，Z方向垂直于水流方向，由右手螺旋法則確定。三維有限元模型所取的計算范圍為-60≤X≤82，3197≤Y≤結構頂部及山頂，-36≤Z≤51。采用三維實體單元，進行泄洪洞的三維有限元動力響應分析。圖1為泄洪洞結構的三維有限元計算網(wǎng)格圖，共57412個單元，62274個節(jié)點。計算時，將模型的四周的鉛直面和底部施加法向約束，坡面及泄洪洞臨空面自由。

暫不考慮構造地應力的影響，模擬泄洪洞及洞臉邊坡在地震作用下的位移、速度及加速度響應，并對泄洪洞結構進行應力和變形分析。分別考慮順流向、橫流向和豎向三個方向的地震加速度，正常蓄水位為3278m。確如多水電站工程場地的地震基本烈度為7.6度，水平向設計地震動峰值加速度按0.241g計算，地震動反應譜特征周期0.4s，設計反應譜最大值βmax=2.25。將巖體及砼視為理想彈塑性材料，采用Drucker-Prager屈服準則，材料參數(shù)按表1取值。

表1 材料參數(shù)表

計算步驟分4步進行：（1）地基在自重作用下的位移和應力計算；（2）加上結構體自重和水壓力之后的位移和應力計算；（3）地震荷載作用下的位移和應力計算；（4）泄洪洞結構的動力響應為：最終應力即為第（2）步+第（3）步的結果，最終位移為第（2）步-第（1）步+第（3）步的的結果。

3.1 自振頻率及振型

泄洪洞及洞臉邊坡整體結構的前10階自振頻率為：2.3023，3.0053，3.0062，3.0089，3.8489，4.2519，4.6417，5.9576，6.1840，6.2118。基本上以順流向振動為主。

3.2 地震作用下結構的響應分析

在順流向地震作用下，（1）最大位移響應：泄洪洞結構的位移響應以豎向為主。地震工況下泄洪洞順流向最大位移響應值為3.528mm，橫流向最大位移響應值為0.897mm，豎向最大位移響應值為3.787mm；（2）最大速度響應：泄洪洞結構的速度響應以橫流向為主。地震工況下泄洪洞順流向最大速度響應值為0.019884m/s，橫流向最大速度響應值為0.021156m/s，豎向最大速度響應值為0.008884m/s；（3）最大加速度響應：泄洪洞結構的加速度響應以順流向為主。地震工況下泄洪洞順流向最大加速度響應值為0.752154m/s2，橫流向最大加速度響應值為0.465622m/s2，豎向最大加速度響應值為0.312263m/s2。（4）泄洪洞結構順流向的最大響應發(fā)生在排架頂部和泄洪洞后坡，橫流向的最大響應發(fā)生在排架下部和泄洪洞導墻，豎向的最大響應發(fā)生在排架頂部和泄洪洞右坡；（5）在順流向地震作用下，泄洪洞結構主要產(chǎn)生豎向和順流向的響應，響應量值均較小。

在橫流向地震作用下，（1）最大位移響應：泄洪洞結構的位移響應以豎向為主。地震工況下泄洪洞順流向最大位移響應值為3.667mm，橫流向最大位移響應值為1.151mm，豎向最大位移響應值為3.695mm；（2）最大速度響應：泄洪洞結構的速度響應以橫流向為主。地震工況下泄洪洞順流向最大速度響應值為0.01022m/s，橫流向最大速度響應值為0.021646m/s，豎向最大速度響應值為0.00173m/s；（3）最大加速度響應：泄洪洞結構的加速度響應以橫流向為主。地震工況下泄洪洞順流向最大加速度響應值為0.193066m/s2，橫流向最大加速度響應值為0.452912m/s2，豎向最大加速度響應值為0.028093m/s2；（4）泄洪洞結構順流向的最大響應發(fā)生在排架頂部，橫流向的最大響應發(fā)生在泄洪洞導墻，豎向的最大響應發(fā)生在泄洪洞頂部和中部；（5）在橫流向地震作用下，結構主要產(chǎn)生豎向和順流向響應，響應量值均較小。

在豎向地震作用下，（1）最大位移響應：泄洪洞結構的位移響應以順流向為主。地震工況下泄洪洞順流向最大位移響應值為4.17mm，橫流向最大位移響應值為0.891mm，豎向最大位移響應值為3.838mm；（2）最大速度響應：泄洪洞結構的速度響應以豎向為主。地震工況下泄洪洞順流向最大速度響應值為0.010516m/s，橫流向最大速度響應值為0.003531m/s，豎向最大速度響應值為0.011384m/s；（3）最大加速度響應：泄洪洞結構的加速度響應以豎向為主。地震工況下泄洪洞順流向最大加速度響應值為0.293998m/s2，橫流向最大加速度響應值為0.126699m/s2，豎向最大加速度響應值為0.334166m/s2；（4）泄洪洞結構順流向的最大響應發(fā)生在排架頂部和泄洪洞右坡，橫流向的最大響應發(fā)生在排架下部和泄洪洞導墻，豎向的最大響應發(fā)生在排架下部和泄洪洞右坡；（5）在豎向地震作用下，結構主要產(chǎn)生順流向和豎向的響應，響應量值均較小。

3.3 地震+正常水位作用下結構應力分析

在順流向地震+正常水位作用下，泄洪洞結構的最大拉應力為2.78MPa，發(fā)生在泄洪洞洞口，最大壓應力為-11.1MPa，發(fā)生在泄洪洞下部結構。在橫流向地震+正常水位作用下，泄洪洞結構的最大拉應力為2.73MPa，發(fā)生在泄洪洞洞口，最大壓應力為-11.2MPa，發(fā)生在泄洪洞下部結構。在豎向地震+正常水位作用下，泄洪洞結構的最大拉應力為2.79MPa，發(fā)生在泄洪洞洞口，最大壓應力為-10.9MPa，發(fā)生在泄洪洞下部結構。三個方向的地震+正常水位作用下，結構的最大拉應力值稍大于砼的抗拉強度，可通過適當配置鋼筋來解決，最大壓應力值遠小于砼的抗壓強度。

4 結束語

文章采用三維動力反應譜分析法，對確如多水電站泄洪洞及洞臉邊坡的動力響應特性進行了研究，研究結果表明，泄洪洞及洞臉邊坡整體結構的自振以順流向為主；在豎向的地震+正常水位作用下，結構的位移響應值比其它兩個方向的地震作用時要大。因此，豎向地震作用工況為控制工況；在三個方向的地震作用下，結構的位移、速度、加速度響應值均較?。辉诘卣?正常水位工況下，結構的壓應力值較小，但在泄洪洞洞口等部位產(chǎn)生了不同程度的拉應力，需進行加強處理；在地震+正常水位工況下，泄洪洞結構處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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