基于三維有限元法在BLK水電站主廠房承載力分析中的研究應用

孫 賓

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

本電站廠房的突出特點是建在砂礫石軟基上，地基的承載力較低，在自重和地震等荷載作用下，地基承載力必須滿足要求，地基的絕對沉降和機組段間、機組段與安裝間之間的不均勻沉降可能較為突出，可能對結構安全和機組及吊車設備的正常運行產生不利影響。地震情況下，結構的強度、剛度和抗震安全性也需要加以重點復核。在深入研究論證的基礎上，對地基強度和結構安全作出科學評價，并為廠房的地基加固處理和廠房結構抗震設計提供可靠依據和可行性建議。

1 工程概況

布侖口-公格爾水電站工程位于新疆阿克陶縣境內，電站裝機容量200 MW，多年平均年發電量6.39×108kW·h，最大運行水頭為665.35 m，主廠房尺寸68.75 m×20.5 m×36.55 m(長×寬×高)，機組間距13.5 m。發電機層高程2 640.34 m，機組安裝高程為2 630.34 m，水輪機層高程為2 632.14 m，廠房底板高程2 624.29 m。廠房抗震設防烈度為Ⅷ度，廠房尺寸見圖1、圖2。

圖1 主廠房橫剖面圖

圖2 主廠房縱剖面圖

2 計算模型及網格剖分

本工程考慮實際情況，將電站廠房結構進行適當簡化，取邊機組段廠房與安裝間的有限元模型進行整體結構分析。計算以彈性結構力學和結構動力學理論為基礎，采用通用ANSYS程序進行分析。

布倫口水電站主廠房的主要特點是以地下大體積混凝土結構為主，上下游面受上游副廠房和尾水副廠房邊墻和各層樓板的支撐作用，底部受基礎的約束作用，內部有機墩、蝸殼等大體積混凝土結構及樓板、墻體、立柱等結構，上部是上下游墻、立柱、屋架等組成的框架結構。噴嘴式蝸殼(配水環管)鋼板等的局部加強作用在廠房整體分析中可予以忽略。對主廠房，盡量按施工圖建立模型，忽略一些細部的結構，邊機組有限元計算模型見圖3。計算模型包括主廠房邊機組段和安裝間段，兩者之間設置有結構縫，一起建模是為了分析不同結構形式間的相對位移和相互影響。

圖3 邊機組有限元模型

動力計算時，混凝土動彈模取為靜彈模的1.3倍。

在三維有限元靜動力計算的模型中，主要采用4種單元類型：

1) 8節點塊體單元：用于機墩、蝸殼、尾水管等水下結構。

2) 板殼單元：用于樓板、墻體、風罩等厚度相對較薄的部位。

3) 三維梁、柱單元：用于廠房立柱及上部框架連桿。

4) 質量單元：用于模擬廠房頂部的屋架重量等集中質量體。

此外，在模型局部采用四面體實體單元、三角形殼單元作為過渡單元。

計算模型的總體坐標系取Z軸為垂直豎向，以2 630.34高程(安裝高程)處為原點，向上為正。X軸與Y軸為水平坐標，以機組中心為原點，X軸為縱向，正方向指向左側；Y軸為橫向，正方向指向上游側。

依據給出的各項荷載施加到結構相應部位，進行結構的靜動力特性分析。地震響應計算采用反應譜法進行計算，其中峰值加速度為0.26 g，并按照0.35的折減系數進行承載力復核，場地特征周期取為0.40 s，設計反應譜最大值取為2.25。同時分別計算順河向、橫河向、豎向地震單獨作用下結構的震動反應，其中橫河向和順河向的加速度幅值相同，豎向地震的加速度幅值采用橫河向的2/3進行計算。

3 計算方法及材料參數選擇

由于電站主廠房的結構非常復雜，數值計算分析利用有限單元法進行。該方法計算的通用性和可靠性較好，計算的基礎參數見表1。

表1 基礎參數

4 結果分析

4.1 靜力計算結果分析

結合計算結果提取結構在5個高程、橫河向不同位置處的位移值，見表2。

表2 靜態荷載作用下結構位移 /m

混凝土梁柱結構不同高程處上游側豎向位移沿縱向分布見圖4。

注：高程處1，2，3，4，5分別代表高程2 655.34、2 650.84、2 645.54、2 640.34和2 632.14 m；主廠房、安裝間對應的1、2、3、4分別表示4根柱位置處的位移，安裝間編號為安裝間最左側為4，依次向右側遞減，主機間編號為主機間最左側為4，依次向右側遞減。

由計算結果可以看出，結構的豎向位移整體上大于其他兩個方向的位移值，最大值達37.2 mm，說明來自結構自重等豎向荷載產生的作用效應表現最為明顯；對比圖4中3個圖可以看出，在各項靜態荷載作用下，主廠房、安裝間結構整體向中間結構縫處傾斜；結構不同高程處的沉降規律基本一致，主要表現為從外側向內側傾斜；結構縫處主廠房和安裝間之間沉降的數值也處于同一水平。

4.2 地基承載力復核分析

地基特征點分布見圖5。

圖5 地基特征點分布圖

靜態荷載作用下各特征點處豎向應力值見表3。從表3可以看出，結構在各項靜荷載作用下，地基局部位置處較小范圍內的應力值達510 kPa，略大于地基承載力500 kPa，但屬于角緣的應力集中現象；表3中特征點6和特征點8處的豎向應力值為412和393 kPa，均小于地基承載力。

表3 靜力荷載作用下地基特征點豎向應力 /kPa

從橫河向地震荷載作用下地基應力云圖、順河向地震荷載作用下地基應力云圖和豎向地震荷載作用下地基應力云圖中可以反映出，結構在各方向地震荷載單獨作用下，地基豎向應力值均小于地基允許承載力500 kPa，其中豎向應力最大值發生在橫河向地震荷載作用下為121 kPa；順河向地震荷載作用下為86 kPa，豎向地震荷載作用下為93 kPa。

地震工況與靜力荷載的組合作用見表4，靜態作用下的豎向應力個別點的豎向應力，已經達到400 kPa，比較接近于允許承載力。單方向水平地震作用所產生的豎向應力最大為121 kPa。按照水平地震作用效應的平方和開方再與0.5倍豎向地震作用效用進行疊加的原則，計算得到三向地震作用下的綜合地震動作用效應，最大值為157.9 kPa，出現在典型點4，與靜力作用效應進行疊加。總體上評價地基整體的承載力是滿足要求的，在局部地區(如4號點、6號點和8號特征點附近，即地基邊緣和結構分縫下游等位置)豎向應力會超過地基允許承載力(500 kPa)，不能夠完全滿足地基承載力復核要求，但超出的幅度有限，且高應力區的范圍很小。

表4 地基各特征點的豎向應力 /kPa

5 結 論

結構在靜態荷載作用下，地基一定范圍內(主要是地基基礎的邊緣)的豎向應力大于地基基礎允許承載力(500 kPa)；各向地震荷載單獨作用下，基礎豎向應力值較小，可以滿足承載力要求；但若考慮靜態荷載與地震的組合作用，則地基基礎部分區域的豎向應力將超過地基允許承載力，但超限的幅度很小，超限范圍區域也很小。綜合分析認為，由于廠房的重量相對較輕，大部分區域的豎向應力可以滿足地基承載力要求，但局部區域不能完全滿足承載強度要求。本工程廠房地基的允許承載力指標相對較低，安全裕度不高，主廠房基礎采用固結灌漿，以提高地基的承載力強度，同時也對增強地基的防滲能力、提高地基的抗液化性能、降低地基沉降和不均勻變形有利。