某水電站進水塔靜力穩定性分析

宋增偉，李元慶

(沂水縣跋山水庫管理處，山東 沂水 276400)

1 概 述

進水塔作為水利樞紐的一個重要組成部分，一旦受到破壞，將嚴重影響電站的正常運行和經濟效益。因此，對其進行穩定性分析有著重要意義。程漢昆等[1]基于Ansys對進水塔的抗滑穩定性進行分析；尚俊偉等[2]對進水塔塔體各關鍵部位的受力情況進行了分析，并采取相應措施以保證進水塔的穩定性；劉云賀等[3]基于黏彈性邊界分析了高聳進水塔的地震動態響應。本文基于大型有限元軟件ABAQUS建立某進水塔地基靜力分析模型，進行了三維有限元靜力計算，分析空庫及正常運行工況下進水塔的應力、位移分布規律，總結評價最大應力產生的原因，并針對性地提出相應的加固處理措施。

2 模型和計算工況

2.1 計算模型

某水電站采用岸塔式進水口，共4個。進水口底板高程為2 794.00 m，塔頂高程為2 902.00 m。塔高108.00 m，單個順水流方向長度為34.58 m，垂直于水流方向寬度為31.40 m。塔背與山體之間有回填混凝土，回填混凝土高程為2 818.00～2 857.00 m，回填高度為39.00 m。

1) 坐標系的說明。取左側進水塔的左邊墩的左側外表面、迎水面以及底板上表面3面的交點作為坐標原點。X軸為豎直方向，向上為正；Y軸為沿水平方向且垂直于水流方向，向右為正；Z軸為水平方向，順水流方向，指向下游為正。

2) 計算范圍。選取兩個相鄰的進水塔作為計算模型，自上游到下游左側進水塔為①號進水塔，右側為②號進水塔。

塔體部分：下部邊界取至底板下表面，高程為2 788 m，上部邊界取至塔頂蓋板，高程為2 902 m，計算總模擬高度為114 m。

地基部分：向上游延伸53.8 m，向下游延伸81 m，左右兩側分別與塔體分縫邊墩外側表面一致，地基深度為114 m。

3) 網格劃分。本次計算采用ABAQUS的C3D8八節點六面體實體單元，計算模型共有109 872個單元、142 552個節點。

4) 邊界條件。地基的四周表面采用法向約束，地基的下表面進行全約束，塔體之間為自由面。

進水塔及地基的整體三維離散模型見圖1和圖2，計算采用的材料參數見表1。

圖1 水電站進水塔及地基的整體三維有限元模型

圖2 水電站進水塔三維有限元模型

表1 材料力學性能表

2.2 計算工況

校核洪水位為2 896.82 m，而正常蓄水位為2 895.00 m，兩者相差不大。因此，本文靜力計算只考慮以下兩種工況，見表2。

表2 計算工況

3 穩定性分析

3.1 空庫工況結果分析

1) 最大拉應力。塔體的拉應力主要出現在進水塔中墩與邊墩之間的連系梁上，而且每層連系梁的最大值一般出現在與攔污柵墩的相交的位置。最大拉應力出現在中墩與邊墩之間的最下面一排連系梁(高程為2 822.80 m)上，其值為2.908 MPa。方向為在Y軸方向(水平垂直于水流方向)。同時，進水塔喇叭口出流道頂板中部位置也出現了0.138～2.384 MPa的拉應力集中區。見圖3。

2) 最大壓應力。壓應力呈現出隨著高程降低而逐漸增大的趨勢，最大壓應力出現在塔體底部的邊墩位置，方向為豎直向下方向，其最大值為10 MPa。流道的邊墻位置也出現大約7.347 MPa的壓應力。見圖4。

3) 位移分布情況。豎直方向(X向)位移U1，在初始地應力與結構自重的作用下，X向位移主要是結構沉降，最大值出現在邊墩的上部，最大值為-9.838 mm，底板的豎向位移為-2.582 mm。結構的豎向位移呈現出沿高程遞增而變大的趨勢。水平垂直于水流方向(Y向)的位移呈現出以進水塔的中軸線對稱，最大值出現在進水塔左側邊墩的下部位置，最大值為-0.813mm，右側邊墩的下部最大位移為0.774 7 mm，兩側的邊墩下部有分別向兩側彎曲的趨勢。在順水流方向(Z向)，進水塔的中墩和邊墩的下部表現為正向位移，最大值為0.791 6 mm，而進水塔的中上部表現為-Z向位移，最大值為1.616 mm。結構綜合位移最大值出現在進水塔的頂部，最大值為9.952 mm，綜合位移也呈現出沿進水塔高程降低而變小的趨勢。各向位移分布情況見圖5-圖8。

根據以上計算結果，最大拉應力出現在進水塔邊墩與中墩之間的連系梁上。這是因為邊墩在重力作用下，其下部有分別向兩側彎曲的趨勢以及中墩與邊墩的不均勻沉降導致下部的連系梁拉較嚴重，出現了最大拉應力。最大壓應力出現在進水塔攔污柵墩的底部，則是因為結構自重引起的。

圖3 工況1下Y向應力分布云圖

圖4 工況1下X向應力分布云圖

圖5 工況1下X向位移分布云圖

圖7 工況1下Z向位移分布云圖

圖6 工況1下Y向位移分布云圖

圖8 工況1下綜合位移云圖

3.2 正常運行工況結果分析

1) 最大拉應力。拉應力主要出現在進水塔的垂直于水流方向(Y向)連系梁與中墩和邊墩的交接處，并且呈現出沿高程降低而增大的趨勢，最大值出現在最下面一排連系梁(高程為2 822.80 m)與邊墩的交接處，其值為3.618 MPa，見圖9。進水塔底部流道頂板無明顯拉應力集中現象。

2) 最大壓應力。進水塔壓應力最大值出現在高程為2 857 m的塔背位置，最大值為10.24 MPa，見圖10。

根據以上計算結果，當結構施加靜水壓力以后，結構的應力情況分布發生了明顯變化。最大拉應力變為3.618 MPa，拉應力增大是因為在進水塔外圍靜水壓力的荷載，而塔體與塔體之間卻因此存在分縫和止水，并沒有靜水壓力，①號進水塔上部整體向Y軸正方向傾斜，②號進水塔整體向Y軸負方向傾斜，兩個進水塔靠近分縫的邊墩受靜水壓力的作用導致最下面一排連系梁被拉伸，因此在最下面一排Y向連系梁與邊墩的位置出現最大拉應力。最大壓應力出現在順水流方向，回填混凝土高程的塔背位置，這是因為在兩側靜水壓力的作用下導致①號進水塔呈現出逆時針扭轉的趨勢，而②號進水塔呈現順時針扭轉的趨勢，因此導致該高程的塔背位置出現最大壓應力。由于結構與荷載的對稱性，因此位移和應力均呈現出以分縫面為對稱軸的對稱性分布。

3) 位移分布情況。①號進水塔在各方向的位移與②號進水塔的位移情況呈對稱分布，對稱軸為兩個進水塔分縫的中線。豎直方向(X向)位移，①號進水塔沿Y向逐漸減小并且逐漸變負向位移，其中正向最大位移為24.65 mm，負向最大位移為40.71 mm，即從上游到下游看去，①號進水塔的左側位移豎直向上、右側位移豎直向下，②號進水塔右側位移豎直向上、左側位移豎直向下。水平垂直于水流方向(Y向)位移，沿高程遞增而變大，最大位移也是出現在邊墩的上部，①號進水塔正向位移最大值為35.79 mm，②號進水塔負向位移最大為35.22 mm。順水流方向(Z向)位移從分縫位置到兩側逐漸減小并且由正到負，其中正向位移最大為16.62 mm，負向最大位移為10.43 mm。綜合位移呈現出沿高程增大逐漸增大的趨勢，3向最大位移均是出現在進水塔邊墩的上部。工況2下各向位移及綜合位移情況見圖11-圖14。

圖9 工況2下Y向應力分布云圖

圖11 工況2下X向位移分布云圖

圖10 工況2下Z向應力分布云圖

圖12 工況2下Y向位移分布云圖

圖13 工況2下Z向位移分布云圖

圖14 工況2下綜合位移云圖

4 結 論

1) 通過對某水電站進水塔進行靜力分析，空庫及正常運行工況下最大拉應力均出現在進水塔最下面一排沿垂直于水流方向的連系梁上，其大小分別是2.908、3.618 MPa，遠遠超過規范要求。

2) 兩種工況下最大拉應力均是由于邊墩變形引起的，因此建議增大邊墩的剛度，以盡量減小因為邊墩變形而導致連系梁拉應力過大的情況。