大型阻抗式尾水調壓室襯砌結構三維有限元分析

黃 娟，李 藝

（1.中國核動力研究設計院，四川成都 610213；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

為了減小水錘壓強，提高電站運行的穩定性和供電質量，水電站有壓引（尾）水系統上一般設置調壓室。近年來，隨著我國水電建設的迅猛發展，為了滿足結構布置和運行條件，大型阻抗式調壓室在地下式水電站中越來越多地被采用，且呈現出結構形式復雜、斷面尺寸大、地質條件復雜、受力復雜等特點，因此阻抗式調壓室結構的穩定及安全問題十分突出。

阻抗式調壓室深埋于山體中，屬于地下結構工程范疇，目前對于地下工程圍巖穩定性及結構設計的分析方法主要有傳統結構力學法和有限單元法。對于地質條件和結構型式復雜的阻抗式調壓室，傳統的結構力學法越來越不能適應設計的要求，而有限元法以對復雜幾何構造的適應性以及求解結果的可靠性等特點，在大型調壓室結構計算中已經得到了越來越廣泛地應用。

1 三維有限元計算分析

1.1 結構介紹

某電站工程區地震設防烈度為8度，調壓室結構按100年超越概率2%的地震水平加速度297 gal進行設計。該電站尾水系統采用“二機一室一洞”布置方式，尾水連接管斷面尺寸9.00 m×14.00 m，在調壓室內2機交匯為一條尾水洞。1號尾水調壓室連接①②機組及①尾水洞；2號尾水調壓室連接③④機組及②尾水洞，下上部跨度分別為22 m、23.5 m；總長140.20 m，中間用16 m巖柱隔開；尾水調壓室高度受起閘控制，室高75.35 m。上下、左右端墻襯砌厚均為0.85 m，阻抗隔板厚2 m，阻抗隔板以下流道高14 m。

調壓室上游側設尾水管檢修閘門，閘門孔口尺寸9.00 m×14.00 m（寬 ×高），尾水閘墩尺寸4.00 m×5.70 m。檢修平臺之上設置啟閉機排架，排架柱固結在閘墩上。

1.2 計算模型

1.2.1 模型及邊界條件

尾水調壓室模型包含調壓室上室流道、調壓室下室流道、底板、閘墩、阻抗板及周圍巖體。調壓室計算模型以調壓室為中心，向四周及上下側巖體各取25 m左右。

模型采用SOLID45實體八結點六面體及其退化的四面體單元。整個模型結點總數為124 569，單元總數為124 733，計算模型見圖1和圖2。

圖1 調壓室整體模型

圖2 調壓室三維離散模型（取一半）

模型的約束條件為：四周及上邊界均施加法向約束，底部邊界施加全約束。

1.2.2 計算參數

混凝土結構部分的強度等級均為C25。調壓室四周圍巖按地質剖面圖大致可劃分為Ⅲ1、Ⅲ2和Ⅳ類，具體計算參數見表1。

工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，調壓室結構按100年超越概率2%的地震水平加速度297 gal進行設計。

表1 材料參數

1.3 計算工況及荷載

計算工況及荷載組合見表2，計算計入的主要荷載有自重、內水壓力、外水壓力、圍巖壓力、地震力、阻抗板壓差及啟閉力。

表2 計算工況及荷載組合

1.4 計算成果分析

計算模型坐標系為笛卡爾坐標系，三軸方向的確定規則：①X軸，為尾水洞中心線方向，指向下游為正；②Z軸，為豎直方向，自下而上為正；③Y軸，水平面為XY平面，符合右手螺旋定則。

1.4.1 位 移

為了便于成果分析比較，約定如下：位移值為“+”，表示該結構部位的位移與相應的坐標軸正向一致，“-”號表示沿各坐標軸負向一致；如果沒有特別說明，計算結果均為沿整體坐標的位移值，且約定樁號、高程、橫水流向尺寸都以m為單位，位移矢量與位移分量值一律以mm為單位整理。

（1）順水流向位移UX。各計算工況下，結構順水流水平向位移UX峰值詳見表3。

（2）橫水流向位移UY。各計算工況下，結構橫水流水平向位移UY峰值詳見表4。

表3 結構順水流水平向位移UX峰值 mm

表4 結構橫水流水平向位移UY峰值 mm

（3）豎向位移UZ。各計算工況下，結構豎向位移UZ峰值詳見表5。

表5 結構豎向位移UZ峰值 mm

從位移成果來看，結構最大順水流水平向位移主要發生在尾水連接管檢修工況和最低涌浪工況，其值分別為-1.426 mm和-1.448 mm。主要是由于外水壓力的作用，產生在上室下游側邊墻中部。

在橫水流向，由于結構各部位均與基巖緊密相連，因此位移相對較小，最大位移峰值為0.688 mm，發生在調壓室左右兩側邊墻，主要由于外水作用產生。

豎向位移，在最高涌浪且阻抗板壓差向下工況下，最大位移峰值為-1.031 mm，主要發生在阻抗板靠阻抗孔端中部，此部位為阻抗板自由端，由阻抗板向下水壓差及自重等因素引起，這也是整個結構的最大位移。因此阻抗板成為調壓室結構受力關鍵部位。

通過以上位移計算成果可以看出，結構各部位總體位移較小。

1.4.2 應 力

混凝土應力計算成果大部分整理為整體直角坐標系下的應力分量，且約定拉應力為正值，壓應力為負值，應力單位為MPa。σx為順水流水平X向正應力，σy為橫水流向Y向正應力，σz為豎直Z向正應力，σ1為第一主應力。

（1）底板應力。各計算工況下，結構底板應力峰值詳見表6。

表6 結構底板應力峰值 MPa

（2）流道邊墻及閘墩應力。各計算工況下，流道邊墻及閘墩應力峰值詳見表7。

表7 流道邊墻及閘墩應力峰值 MPa

（3）阻抗板應力。各計算工況下，阻抗板應力峰值詳見表8。

表8 阻抗板應力峰值 MPa

（4）門槽應力。各計算工況下，門槽應力峰值詳見表9。

表9 門槽應力峰值 MPa

（5）上室邊墻應力。各計算工況下，上室邊墻應力峰值詳見表10。

表10 上室邊墻應力峰值 MPa

由分析成果可知，底板應力主要由內水壓力控制。應力峰值均發生在底板與流道邊墻相交處，最大值為1.33 MPa；下室流道邊墻及閘墩，從結構整體來看主要受豎向拉應力作用，也發生在邊墻與阻抗板相交部位，最大拉應力峰值為1.44 MPa；門槽部位主要受閘門水推力作用，因此最大拉應力發生在尾水連接管檢修工況，應力峰值為1.63 MPa；結構上室部分，拉應力主要發生在與阻抗板相交部位，但應力梯度較大，在離阻抗板頂部4 m以上范圍，應力基本在混凝土強度范圍內。

阻抗板為調壓室結構關鍵部位，此結構關系到整個系統的水力條件，但阻抗板也是整個結構中剛度最小、變形及應力最大的部位。在靜力工況下，其主要受自重及水壓差作用，在閘墩相交部位由于結構幾何突變，存在應力集中現象，最大拉應力達3.67 MPa。

通過以上應力計算成果可以看出：結構應力總體較小；局部應力較大，但分布范圍較小、應力梯度大。絕大部分拉應力均未超過混凝土結構抗拉強度設計值。

2 結構配筋

根據前文計算的各部位應力分布情況，整理計算出調壓室結構各部位建議配筋值，其配筋總結詳見表11。

表11 結構配筋情況 mm2

3 結 論

本文計算的尾水系統采用“兩機一室一洞”的布置格局，尾水調壓室為阻抗長廊式，兩機在調壓室內交匯，尾水閘門設置在調壓室內，其混凝土襯砌、閘墩、阻抗板等構成較復雜的超靜定結構體系，特別是阻抗隔板為大跨度的異形結構，為了解調壓室上述部位結構的應力及變形情況，為結構及配筋提供依據，確保調壓室結構安全，有必要進行尾水調壓室襯砌結構的三維有限元計算分析。

通過計算得知，結構整體應力位移均較小，分布符合一般規律。通過計算結果，整理出各部位的配筋，對工程技施設計具有一定的指導意義，可以對類似工程提供一定的參考價值。