對水電站調壓井結構有限元分析

喬天發

摘要：在水電建筑物中，調壓井是其重要構成部分，而且調壓井結構的穩定性將會對水電站的順利運作產生直接的影響。緊跟著水利施工技術的不斷進步，調壓井的結構變得越加復雜，其內徑也在逐漸變大，而且，因為在水利施工的時候，經常會出現地質條件不利于施工的情況。本文主要闡述了水電站調壓井結構，并運用三維有限元對其進行計算分析。

關鍵詞：水電站；調壓井；結構

1.調壓井的內涵

1.1 概況

調壓井也被稱作壓力井，水電站中的調壓井主要是用于調節水壓。因為水電站中的引水管一般都是很長的，為此，在機組突然關閉的時候，因為水流具備一定的慣性，所以就會產生一定的水錘效應，就如同無壓力井，水錘會損壞水葉等的零件。通過使用調壓井，能夠為水錘開通一條有效進行釋放的通道，進而可以促使水流經過所造成的壓力的減少。在水利工程中，由于建立一個調壓室是需要很高的成本的，而且調壓室的設計也是很復雜的，為此，在地形條件許可的情況下，一般都是運用調壓井。因為調壓井所具備的結構以及受力的特點，為此，調壓井不單單包含了其工作的性質，同時也具備了地下工程所要具備的特點。就結構而言，水電站的調壓井通常都是由鋼筋混凝土土筒構成的。就比如某個調壓井它的井底內徑是3.3米，但在引水洞的27米以上內徑變成5.5米，而調壓井在地下的井壁應該是厚度為0.5米，而在地面上的厚度應該為0.3米。其中，圖一是這個調壓井的剖圖。

1.2 計算調壓井的目的及其內容

在對調壓井的噴護采取初步的探究時要用到彈性力學以及結構力學，通過兩個力學的有效運用可以得出應當運用長度為2.4米的SW ELLEX型錨桿以及10厘米的混凝土噴層采取噴錨支護。在計算調壓井的時候，要按照有限元的計算結果，有效的對噴層以及錨桿進行合理的分析，進而能夠有效的檢驗其是不是符合結構強度的需要。除此之外，在運用三維有限元對調壓井結構進行分析的時候，也要運用兩種混凝土的應力對調壓井進行計算。第一種是地震加上自重，第二種是地震加上最高涌浪水壓。按照其計算的結果，合理的對井壁的內力進行計算，進而能夠為配筋提供有效的根據，最終能夠制定有效的配筋計劃，并能夠符合結構強度的需要。

2. 有限元計算的方式以及模型

在對有限元進行計算時，一般都會運用ANSYS分析軟件，而且，在水力水電中，這個軟件也得到普遍的應用，因為這個軟件能夠對工程的計算進行檢驗，從而能夠促使其偏差度在規定的范圍內，為此，這個軟件也越來越受到歡迎。

2.1 對全部單位和材料進行計算

對于計算有限元而言，一定要利用合適的單元模型，同時要具有一定的計算精度以及計算效率。按照調壓井每一個位置的幾何特征，如果運用ANSUS軟件對50厘米的混凝土襯砌進行分析，通常都是運用彈性本構模型，如果對基巖進行分析，就要把基巖看成彈塑性介質，同時要運用Druck-er-prager原則。如果運用link8桿模擬對2.4米的錨桿進行分析，就一定要考慮其彈性。如果運用shell63對10厘米厚的噴層進行模擬，通常情況都是運用彈性本構模型。

2.2 計算有限元模型

由于在計算有限元的時候，為了確保其精度，一定要注重對模型的選擇，其中主要是選擇材料的參數以及建立有限元模型。對于調壓井來說，一般情況下有兩種模型手段。第一，當需要對全部的底部引水管以及井壁進行了解的時候，尤其是在了解受力情況的時候，有限元模型一定要包含引水管以及井壁在內，而錨桿的模擬能夠運用促使錨桿強度參數提高的方法，即要提高單元強度參數，從而起到加固的效果，通常而言，需要提高到20%-30%左右。第二，當要清楚錨桿以及井壁的受力情況的時候，要在模型中明確錨桿的位置，因為調壓井一般都是很深的，為此，要按照圣維南原理，從而能夠促使有限元模型的建立，同時也能省略引水管。因為計算有限元的目的在于明確井壁、噴層以及錨桿的受力情況，為此，在建立調壓井模型的時候，可以運用上述的第二種方法。

在建立有限元計算模型的時候，應當運用柱坐標系，即以調壓井徑向為X軸，以切向為Y軸，以高度為Z軸，而且坐標的原點要在調壓井底部的圓心位置，高程應該是974米。在運用模擬金酸調壓井的是婚后，要在調壓井的底部一直延伸到50米，同時要在中軸線中向徑向延長到50米。同時，也要約束有限元計算模型，即在底部中添加三向對計算模型進行約束，在計算墨西哥的邊界面要添加法向鏈桿進行約束。而對于有限元的網格來說，要有20843個節點，同時要有6120個混凝土襯砌以及11800個基巖單元，此外，也要具備1080個噴層單位。

2.3 巖體、錨桿、混凝土的物理力學指標

2.4 計算地震動力

在分析調壓井結構地震響應的時候，應當運用振型分解反應譜法，首先，要分析結構本身，從而能夠獲取大結構的自振頻率以及動力特征，同時，在得到相關數據的基礎上，要對結構運用地震反應譜，從而能夠在反應譜中得到結構中不同的響應，然后，要運用SRSS法得到結構的整體地震響應。運用這種方式能夠有效的設計結構的反應譜，從而能夠得出地震峰值加速度應該是0.17克，而且特征周期的值應該是0.30s。一般而言，計算的反應譜如圖三所示。

圖三

3. 計算調壓井有限元的結果

3.1 分析總體應力分布

就最高涌浪水位的影響力而言，第一主應力基本實在-12.1-19.7Pa范圍內，在調壓井頂板中所出現的小范圍的拉應力區，甚至比較多的圍巖都出現在壓應力區中，其中，最大壓應力是在調壓井與交通洞匯聚的地方，最大拉應力會出現在引水隧道洞靠近山體得位置。而第三主應力是在-71.8-3.22MPA的范圍內，調壓井的圍巖在-5.12-3.22MPS的范圍內，而且最大的壓應力應該會出現在調壓井和交通洞匯合的位置。

3.2 計算錨桿有限元

通過計算有限元的結果，能夠知道軸力最大的錨桿應該是在調壓井高程的1002m處，而且其軸力要達到46.7KN，然而要低于100KN的設計抗拔力，為此，運用這種方式選取錨桿是十分合理的并能確保安全。

3.3計算10厘米厚的鋼纖維混凝土噴層有限元

就鋼纖維混凝土噴層環向應力等值線來看（圖四），就可得知鋼纖維混凝土噴層的環向受拉，其中，在調壓井漸變段中拉應力應該是1.56MPa，在調壓井底端的拉應力應該是1.62MPa，因為鋼纖維混凝土噴層的抗拉強度是1.74MPa，為此，在這個噴層在開挖的時候是安全的。

圖四

3.4計算襯砌有限元

就工況一而言，在地震加上自重的現狀下，襯砌的環向應力都是很小的，為此，工況一并非控制工況，為此，在本文中將省略其計算結果。就工況二而言，即地震情況下的襯砌應力加上調壓井最高的水壓即1053.19米。其中，圖五是工況二的剖面應力等值圖。

圖五

3.5計算井壁內力

得出應力結果后，要按照有限元元件進行合理的處理，從而得出相關的內力，最終有利于計算井壁的配筋。就調壓井的結構而言，計算配筋時要包含垂直直向以及水平向在內。就水平來說，在得出每一個高程的拉力的以及力矩的時候，就能夠按照受拉構件進行計算配筋以及抗裂。而且要對力矩以及應力進行科學的積分。對于垂直分析來說，也要計算力矩以及壓力，從而可以按照偏心受壓構件計算出配筋。

4.結語

綜上所述，本文主要是運用有限元來計算調壓井結構體，同時也分析了調壓井的三個受力主體，即襯砌、噴層以及錨桿，并通過分析其受力的現狀，有效的對設計工作進行指導。同時，在進行計算的時候，也包含了九個開挖時候的荷載步以及一個初始的荷載步，并運用了動態的模擬，從而能夠有效的解決水電站調壓井施工時所出現的問題。

參考文獻：

[1] 王棟. 調壓井結構有限元分析[J]. 陜西省水利電力勘測設計研究院，2013

[2] 陸雪萍.水電找調壓井結構有限元分析[J].昆明理工大學，2013

[3] 蔡曉鴻，蔡勇斌，蔡勇平著，水工壓力隧洞與壩下涵管結構應力計算，2013

[4] 龔曙光，謝桂蘭.ANSYS 操作命令與參數化編程 [M]. 北京：機械工業出版社，2010