基于ANSYS厄瓜多爾德爾西水電站尾水渠擋墻結構計算

茹秋瑾，李曉琳

（楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100）

厄瓜多爾德爾西水電站為引水式電站，電站裝機容量180 MW，多年平均發電量12.181億kW·h，水輪發電機采用3臺沖擊式水輪發電機組，單機容量60 MW，額定引用流量為42.3 m3/s，額定水頭495 m。水庫上游最高運行水位為1491.00 m，水庫庫容60.4萬m3，最大毛水頭是534.7 m。尾水渠是電站的重要泄水建筑物，尾水渠擋墻的結構計算的正確與否關系到電站泄水的安全，本文擬通過ANSYS軟件，建立有限元計算模型，對尾水渠擋墻的結構進行計算，以期對類似工程有借鑒作用。

1 尾水建筑物布置

樞紐建筑物主要由首部樞紐、左岸引水發電系統、發電廠房及其附屬設施組成。尾水渠擋土墻分兩個斷面，斷面1底高程為949.40 m，頂高程956.50 m。斷面2底高程為948.40 m，頂高程956.50 m，擋墻上部回填區坡度均為1∶1.5，采用植草護坡。尾水渠主要分為兩段，上游段樁號為PD0+006.60～PD0+020.00（斷面 1）和下游段樁號 PD0+020.00～PD0+028.00（斷面2）這兩段的尾水渠擋墻體型見圖1尾水渠擋墻體型圖。

圖1 尾水渠擋墻體型圖（單位:cm)

2 擋墻結構分析

2.1 基本資料

基礎座落在中風化片麻巖上部，根據德爾西水電站地質報告對巖體工程質量分級及物理力學參數建議，基礎為Ⅲ級巖體，最大可信地震MCE水平地震加速度為0.28 g。混凝土強度：f’c=21 MPa，混凝土容重：γc=24 kN/m3。機組滿發正常運行尾水渠尾水位950.59 m（樁號PD0+006.60）、950.57 m（樁號PD0+021.00），200年一遇洪水水位955.24 m（樁號PD0+006.60）、955.24 m（樁號PD0+021.00）。

2.2 工況組合

對于施工工況考慮干地施工條件，墻后填土采用天然容重。對于正常運行、地震工況、檢修工況，墻后填土不完全浸沒于水中。由于在非洪水工況時，水位較低，水位沒有超過950.90 m高程。因此，只在洪水工況下水位下填土、地基土均采用浮容重，水位上填土采用天然容重，其余工況均采用天然容重計算。計算中對于土體的自重和土壓力的計算，采用計算出數值，施加在有限元模型上的方式。對于擋墻自身的重量及地震慣性力，通過給其施加自重，以及修改地震慣性力的大小、方向的方式進行施加。計算工況及其荷載組合見表1。

表1 擋土墻荷載作用組合

2.3 荷載計算

根據美國規范《RETAINING AND FLOOD WALLS》（EM1110-2-2502)，對擋土墻各種組合的荷載系數如下：工況1：U=1.4Hf×D；工況 2：U=Hf(1.4D+1.7L)；工況 3：U=Hf(1.4D+1.7L)；工況 4：U=0.75(1.0Hf(D+L)+1.25E)；上面式中：D表示死荷載；L 表示活荷載；Hf表示水力系數，取值1.3；E表示地震荷載。

水平作用力指向墻背、豎直力鉛直向下均為正。荷載計算時，取單寬1 m進行計算。對于擋墻上部的土體自重荷載，根據其高度，按照分布荷載，施加在擋墻上部。其中工況1、2、4擋土墻上部土體及水重荷載為682.85 kN，工況3擋墻上部土體及水重荷載為702.15 kN。由于墻后土體設置排水孔，墻背跟墻面受的靜水水平壓力相互平衡。在程序中，只需設定地震加速度的方向和大小，經過計算即可得到擋墻各部位地震力及其產生的應力場分布。揚壓力、土壓力荷載詳見表 2、3、4。

表2 揚壓力計算表（斷面1）

表3 非地震工況主動土壓力計算（斷面1）

表4 非地震工況主動土壓力計算（斷面2）

依據美國相關規范計算各荷載數值，尾水渠擋墻計算簡圖見圖2。

圖2 尾水渠擋墻計算簡圖

3 有限元計算模型

3.1 遵循原則

對實體幾何模型進行網格剖分遵循以下原則：

（1）符合建筑物受力特點。

從整體來看，該壩段變形整體上看以拉壓變形為主。

（2）單元應能夠反映應力集中。

按照本工程的實際情況，在應力梯度較大部位的單元尺寸一般不超過0.1 m。

（3）單元的形態良好。

3.2 模型建立

（1）結構坐標系

模型的建立采用整體笛卡爾坐標系。土壓力方向為X方向，豎直向上方向為Y方向，原點為圖2中的A點。

（2）幾何模型詳見圖3擋土墻計算模型

圖3 擋土墻計算模型

（3）有限元模型

本計算采用PLANE183平面單元進行劃分。對于擋土墻，斷面1總結點數4136，總單元數1305；斷面2總結點數3916，總單元數1235。按照上述原則剖分的有限元模型，見圖4擋墻有限元模型。

圖4 擋墻有限元模型

3.3 擋土墻計算結果

尾水渠擋墻上游段（斷面1）、擋墻下游段（斷面2），分別對這兩個斷面進行工況1、工況2、工況3、工況4，進行應力圖分析。限于篇幅本文不列出各個工況下的應力圖。

由以上的計算結果，可知擋土墻斷面1和斷面2各工況下的應力及位移分布，其極值如表5和表6所示。

通過對兩個斷面各個工況的最大應力值進行對比，對于斷面1，可以看出施工完建時，所有的應力值以及位移值均大于其他工況。對于斷面2，可以看出正常運行時，所有的應力值以及位移值均大于其他工況。鑒于此，對于斷面1，選取工況1作為控制工況，進行應力積分，對于斷面2，選取工況2作為控制工況，進行應力積分。

表5 擋土墻斷面1各工況應力位移最大值匯總（應力單位：MPa，位移單位：mm)

表6 擋土墻斷面2各工況應力位移最大值匯總（應力單位：MPa，位移單位：mm)

由前面的應力計算結果可知，擋土墻斷面1，斷面2水平向和豎直向拉應力較大的位置都是相同的，對于X向應力，最大值出現在墻踵上部和墻斜交的位置；對于Y向應力，出現在擋墻后坡變坡處。因此選取如圖5所示的積分路徑，分別對X向和Y向應力進行積分。

圖5 積分路徑示意

下面對斷面1和斷面2的擋墻最大斷面進行積分。應力積分結果見圖6、圖7，淺藍色線表示沿積分路徑的應力值，紫色線表示積分得到的力的大小。

圖6 斷面1擋墻水平向應力積分結果（PATH1）

圖7 斷面1擋墻豎直向應力積分結果（PATH2）

由上圖所示的應力積分結果，再根據配筋公式各部位的配筋面積如下表7和表8所示

表7 斷面1應力配筋計算

表8 斷面2應力配筋計算

通過計算可以看出斷面1和斷面2，均需要在底板處配直徑18 mm，間距200 mm的鋼筋。對于抗剪，混凝土自身已經可以滿足抗剪要求，無需配置鋼筋。

4 結語

本文針對厄瓜多爾德爾西水電站的具體情況，該水電站尾水渠擋土墻斷面有兩種，分別為斷面1和斷面2，文中首先對擋墻進行結構分析，在施工完建、正常運行、200年一遇洪水、正常運行+最大可信地震四種工況下，進行荷載計算，建立有限元模型分別對擋墻的兩個斷面進行應力分析，計算結構顯示：斷面1和斷面2，均需要在底板處配直徑18 mm，間距200 mm的鋼筋。對于抗剪，混凝土自身已經可以滿足抗剪要求，無需配置鋼筋。該水電站已經完工運行一段時間，實踐證明計算結果安全可靠。在電站尾水擋渠的結構計算過程種，可以參照以上設立工況組合，安全可靠，具有一定的推廣價值。