某水電站溢洪道堰閘段抗震分析

張 浩，韓鵬輝

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

1 工程概況

某水電站位于黃河上游干流上，總庫(kù)容16.22 億m3,電站裝機(jī)容量為2200 MW，屬一等大（1）型工程。樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪道、泄洪洞及地下廠房組成。

泄水建筑物由右岸3 孔溢洪道和右岸1 條泄洪放空洞組成。泄水建筑物按1 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水1000 年一遇（相應(yīng)洪水流量5760 m3/s），校核洪水為PMF（相應(yīng)洪水流量8530 m3/s）。

3 孔開敞式溢洪道利用右岸平臺(tái)地形緊靠面板壩布置，由引渠段、堰閘段、泄槽段、鼻坎段組成，總長(zhǎng)約560 m，泄槽段軸線方位為EW272°。溢流堰坐落在微風(fēng)化巖石上，建基面高程3238.0 m；堰閘段沿水流方向長(zhǎng)50.0 m，單孔凈寬11 m，堰頂高程3258.0 m；上游堰頭為二圓弧曲線，堰面曲線采用WES 線，WES 曲線與1∶1.2 的斜坡相接，斜坡與半徑R＝30.0 m、夾角39.23°的圓弧相切，圓弧與泄槽斜坡以i=0.01 坡度相切連接。孔口尺寸11 m×17 m，堰上設(shè)計(jì)水頭17 m；閘室頂高程3283.0 m，閘室設(shè)事故檢修門和弧形工作門各一道。檢修門啟閉設(shè)備為2×800 kN/320 kN 溢洪道壩頂門機(jī)，工作門啟閉設(shè)備為2×2500 kN 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL 5073-2000）的規(guī)定，本工程溢洪道堰閘段為壅水建筑物，抗震設(shè)防類別為甲類；工程壩址區(qū)基本烈度為Ⅶ度，設(shè)防烈度Ⅷ度，場(chǎng)地類別為Ⅰ類。

2 計(jì)算方法及模型

計(jì)算采用ANSYS 14.5 有限元結(jié)構(gòu)分析軟件。上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基均利用六面體塊單元離散。溢洪道堰閘段中墩有限元網(wǎng)格劃分見圖1，單元數(shù)：84034；節(jié)點(diǎn)數(shù)：94487。在建立有限元模型時(shí)，溢洪道堰閘段計(jì)算基礎(chǔ)深度取1 倍閘墩高度（45 m），上、下游基礎(chǔ)長(zhǎng)度分別取堰閘段順?biāo)鏖L(zhǎng)度的1 倍（各取50 m），左右兩側(cè)基礎(chǔ)長(zhǎng)度分別取單孔堰閘段寬度的1 倍（16 m）。

對(duì)溢洪道堰閘段進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí),分別沿兩個(gè)水平主軸方向輸入地震動(dòng),即順?biāo)鞣较蚝痛怪彼鞣较?并同時(shí)考慮豎向地震的影響。采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震反應(yīng)，阻尼比采用常阻尼比0.05，參與振型取前30 階，采用CQC 法進(jìn)行各振型的地震作用組合。

本工程地震作用分析考慮順?biāo)骱痛怪彼鲀蓚€(gè)水平方向和豎向地震作用效應(yīng)。豎向地震作用峰值加速度取水平向的2/3，其與水平向地震作用的耦合系數(shù)為0.5。

圖1 溢洪道堰閘段中墩有限元網(wǎng)格劃分

3 計(jì)算工況與荷載組合

本次計(jì)算選取了正常蓄水、地震2 個(gè)典型計(jì)算工況。正常蓄水工況，兩側(cè)弧門擋水；正常蓄水+地震，兩側(cè)弧門擋水，遭遇地震。正常蓄水位為3275.00 m，荷載組合表見表1。

表1 荷載組合表

4 溢洪道堰閘段自振特性分析結(jié)果

表2 列出了溢洪道堰閘段中墩干、濕模態(tài)前6 階自振頻率及振型描述。中墩濕模態(tài)前6 階振型見圖2。實(shí)際計(jì)算了中墩前50 階自振頻率和振型，高階頻率和振型對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響不大，不再一一列出。

圖2 中墩濕模態(tài)前六階振型圖

表2 溢洪道堰閘段中墩自振特性表

由表2 可知，濕模態(tài)自振頻率較干模態(tài)稍有減小，說明水體附加質(zhì)量對(duì)閘墩的自振特性有影響，但影響不大。濕模態(tài)相應(yīng)的質(zhì)量因附加質(zhì)量的計(jì)入而變大，但剛度保持不變，所以自振頻率稍有下降，這是符合規(guī)律的。中墩第一階振型以垂直水流方向振動(dòng)為主，第二階振型以垂直水流方向二階振動(dòng)為主。中墩第一階頻率達(dá)到2.18 Hz，說明側(cè)向剛度是比較大的。以后各階振型主要是側(cè)向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，其次是順?biāo)飨蛘駝?dòng)，也有整體豎向振動(dòng)振型。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 正常蓄水工況下的局部應(yīng)力分析

在堰閘段中墩選取了7 個(gè)典型剖面作為分析對(duì)象，見圖3。

圖3 中墩各剖面位置示意圖

溢洪道正常蓄水工況下的局部應(yīng)力云圖見圖4、圖5，局部應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表見表3，由表3 可知，剖面1 最大拉應(yīng)力有0.20 MPa，發(fā)生在閘墩底板下部邊緣。剖面2 在閘墩底板下部邊緣有最大0.21 MPa 的拉應(yīng)力。剖面3 最大拉應(yīng)力只有0.09 MPa。剖面4在牛腿前附近區(qū)域有0.43 MPa 的拉應(yīng)力，主要由作用在牛腿上的弧形門支鉸推力造成，范圍不大，左右對(duì)稱。剖面5 拉應(yīng)力數(shù)值不大，只有0.02 MPa，發(fā)生在底板上部邊緣。剖面6 最大拉應(yīng)力0.18 MPa。剖面7 全部承受壓應(yīng)力。從剖面6 可以看出，牛腿前附近范圍內(nèi)的豎向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力均數(shù)值不大，可見，該部位主要是順?biāo)飨蚶瓚?yīng)力較大。

表3 正常蓄水工況下的局部應(yīng)力

圖4 中墩截面1 正應(yīng)力（σx）分布圖（正常蓄水位1 工況，單位：MPa）

圖5 中墩截面2 正應(yīng)力（σx）分布圖（正常蓄水位1 工況，單位：MPa）

5.2 設(shè)計(jì)地震工況局部應(yīng)力分析

溢洪道設(shè)計(jì)地震工況下的局部應(yīng)力云圖見圖6、圖7，局部應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表見表4。從表4 中可以看出，剖面1 最大拉應(yīng)力有1.12 MPa，發(fā)生在閘墩上游堰面起坡處。剖面2 在閘墩側(cè)墻外側(cè)下部有最大0.64 MPa 的拉應(yīng)力，左右對(duì)稱。剖面3 在閘墩側(cè)墻外側(cè)靠近底板的部位有范圍不大的1.09 MPa 左右的拉應(yīng)力。剖面4 在牛腿前附近區(qū)域有0.65 MPa 的拉應(yīng)力，主要由作用在牛腿上的弧形門支鉸推力造成，范圍不大，左右對(duì)稱。剖面5 在底板頂部有0.09 MPa 的拉應(yīng)力。剖面6 在檢修門槽上、下游有0.86 MPa 的豎向拉應(yīng)力。剖面7 在檢修門槽靠近底板附近有3.77 MPa 的豎向拉應(yīng)力。

從剖面6 可以看出，牛腿前附近范圍內(nèi)的豎向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力均數(shù)值不大，可見，該部位主要是順?biāo)飨蚶瓚?yīng)力較大。此外，從剖面7 可以看出，在設(shè)計(jì)地震工況，檢修門槽靠近底板附近有數(shù)值較大的豎向拉應(yīng)力，造成該處的最大主拉應(yīng)力達(dá)到3.77 MPa，超出C30 混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（為1.43 MPa），作用范圍不大。

表4 正常蓄水+ 地震工況下的局部應(yīng)力

圖6 中墩截面1 正應(yīng)力（σx）分布圖（設(shè)計(jì)加地震工況，單位：MPa）

圖7 中墩截面2 正應(yīng)力（σx）分布圖（設(shè)計(jì)加地震工況，單位：MPa）

6 結(jié)論

本文中的閘墩在正常蓄水位工況下各關(guān)鍵部位均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，表明閘墩的設(shè)計(jì)尺寸合理。在地震工況下，局部部位出現(xiàn)了拉應(yīng)力，但數(shù)值均不大，通過采取相應(yīng)的配筋措施即可滿足要求。