呂東海 馮 華

（西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西 西安 710065）

1 引言

岸塔式進(jìn)水口由于對地形地質(zhì)條件適應(yīng)性較廣，在我國已建的水電站中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是引水式水電站。岸塔式進(jìn)水口順?biāo)鞣较虻恼w穩(wěn)定，不同于重力壩和重力式擋墻靠自重維持穩(wěn)定。岸塔式進(jìn)水口正向承受水平荷載，背靠岸坡巖體，靠自重和岸坡巖體支撐維持穩(wěn)定，其整體穩(wěn)定不像重力壩和擋土墻，有沿水平建基面滑動和繞趾點(diǎn)傾覆的可能，只要塔背和塔底建基面法向應(yīng)力在巖體允許承載力范圍之內(nèi)，塔體就不會發(fā)生整體失穩(wěn)。岸塔式進(jìn)水口整體穩(wěn)定計(jì)算普遍采用常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法[1][2]。常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法是將塔體視作剛體，在荷載作用下巖體受擠壓變形產(chǎn)生抗力，假定抗力按線性規(guī)律分布，自下而上連續(xù)分布，通過力的平衡條件和轉(zhuǎn)角相容條件列出方程組，然后求解方程組得到抗力值。此方法在每個(gè)工況計(jì)算時(shí)，首先要判斷塔體的“轉(zhuǎn)動趨勢”，然后根據(jù)“轉(zhuǎn)動趨勢”選擇計(jì)算公式，計(jì)算相對繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，筆者嘗試使用phase2二位彈塑性平面有限元分析軟件進(jìn)行岸塔式進(jìn)水口整體穩(wěn)定的計(jì)算，該軟件便于一般工程設(shè)計(jì)人員操作使用，而且對計(jì)算機(jī)配置要求較低，因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中取得了較好的效果。

2 Phase2軟件簡介

Phase2軟件是由加拿大Rocscience公司開發(fā)的一款易于使用、穩(wěn)定可靠的二維巖土工程彈塑性有限元分析和設(shè)計(jì)軟件。它被廣泛應(yīng)用于各類工程項(xiàng)目分析中，包括地表或地下開挖的支護(hù)設(shè)計(jì)、邊坡穩(wěn)定分析、地下水滲流分析以及概率分析等領(lǐng)域。它能夠輕松、快速地完成復(fù)雜的、多工況步的模型的建模分析，諸如軟巖或多節(jié)理巖體中的隧道、地下廠房洞室群、露天礦坑和邊坡、壩體、土工合成材料加筋土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等等，能夠分析漸進(jìn)破壞、土與結(jié)構(gòu)相互作用及各種其它問題。

3 工程計(jì)算實(shí)例

3.1 工程概況

某電站為高壩大庫長引水式電站，電站進(jìn)水口布置在壩前右岸，為岸塔式進(jìn)水口。水庫正常蓄（設(shè)計(jì)洪）水位3240.00m，校核洪水位3241.00m，發(fā)電死水位為3220.00m，進(jìn)水口底板高程為3211.00m，塔頂高程為3243.00m。順?biāo)鞣较蜷L度為14m，垂直水流方向?qū)挾葹?.5m，進(jìn)水口橫剖面見圖1。進(jìn)水口建筑物級別為3級，地震抗震設(shè)防烈度為8°，基巖水平峰值加速度為0.2g。

3.2 材料參數(shù)選取

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，進(jìn)水口建基面基巖裸露，基礎(chǔ)座落于弱風(fēng)化塊狀～中厚層狀凝灰?guī)r上，建基面無深層滑動面，覆蓋層和巖體主要物理力學(xué)參數(shù)見表1、表2，進(jìn)水口塔體混凝土主要力學(xué)參數(shù)見表3。

3.3 計(jì)算假定

（1）模型計(jì)算采用摩爾—庫倫準(zhǔn)則；

（2）地層和材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈性范圍內(nèi)變化，應(yīng)力場由自重自動生成；

（3）考慮空腔對塔體的影響作用，采用厚度折算的方法對混凝土容重進(jìn)行折減；

（4）只研究塔底和塔背建基面上的應(yīng)力和位移；

（5）塔底建基面上的揚(yáng)壓力按全水頭考慮，塔背建基面上不考慮揚(yáng)壓力。

3.4 二維有限元模型建立

模型建立的原則是在各工況下不會波及模型邊界，既可以保證數(shù)據(jù)可靠，又可以減少計(jì)算工作量。選取整個(gè)進(jìn)水口為計(jì)算對象，進(jìn)水口基礎(chǔ)、后邊坡、前沿延伸長度不小于5倍順?biāo)鞣较蜷L度，即70m。進(jìn)水口和地基單元劃分采用三結(jié)點(diǎn)三角形單元，采用統(tǒng)一網(wǎng)格類型（見圖2），共劃分32261個(gè)三角單元，16340個(gè)節(jié)點(diǎn)。側(cè)面和底面為位移邊界，側(cè)面限制水平位移，底面限制垂直位移，上邊界為自由面，模型及邊界條件見圖3。為研究建基面上的應(yīng)力和位移分布情況，采用節(jié)理模擬進(jìn)水口塔底和塔背建基面。節(jié)理按一般節(jié)理考慮，節(jié)理沒有厚度，節(jié)理只傳遞壓應(yīng)力，不承受拉應(yīng)力，為了使節(jié)理不發(fā)生“侵入”和“重疊”現(xiàn)象[3]，假設(shè)法向剛度較大，節(jié)理參數(shù)設(shè)置見圖4、圖5。除完建工況外，其他各工況塔底揚(yáng)壓力采用節(jié)理特性中的附加應(yīng)力模擬。

圖1 某電站進(jìn)水口橫剖面圖

表1 進(jìn)水口覆蓋層主要物理力學(xué)參數(shù)表

表2 進(jìn)水口巖體主要物理力學(xué)參數(shù)表

表3 進(jìn)水口塔體混凝土主要力學(xué)參數(shù)值表

表4 Phase2程序與常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法法向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對比表

3.5 計(jì)算結(jié)果及分析

采用應(yīng)用較為廣泛的摩爾—庫倫準(zhǔn)則，計(jì)算得到完建、正常運(yùn)行、校核洪水位、檢修及地震五個(gè)工況塔底和塔背建基面上法向應(yīng)力、切向應(yīng)力、法向位移及切向位移等一系列計(jì)算成果，見圖6～圖9。

圖2 有限單元劃分方式

圖3 二維有限元模型

圖4 節(jié)理（塔底建基面）參數(shù)設(shè)置

圖5 節(jié)理（塔背建基面）參數(shù)設(shè)置

圖6為各工況下塔底和塔背建基面上法向應(yīng)力分布圖。由圖中應(yīng)力分布數(shù)據(jù)可以看出，完建工況塔底建基面法向應(yīng)力最大，且由上游到下游逐漸增大，塔背建基面法向應(yīng)力基本為零，頂部局部有壓應(yīng)力，但數(shù)值很小，這是因?yàn)橥杲ê筮M(jìn)水塔重心偏下游，塔體有繞底板順時(shí)針轉(zhuǎn)動的趨勢，其他各工況塔底建基面法向應(yīng)力由上游到下游逐漸減小，塔背建基面法向應(yīng)力由下部到上部逐漸增大，特別是地震工況增加幅度最大，這是由于受到水平力和揚(yáng)壓力作用后，塔體對塔背建基面的擠壓作用更大。

圖7為各工況下塔底和塔背建基面上切向應(yīng)力分布圖。由圖中應(yīng)力分布數(shù)據(jù)可以看出，各工況下塔底和塔背建基面切向應(yīng)力均較小，只有完建工況塔背局部出現(xiàn)了最大48kPa剪切應(yīng)力，說明岸塔式進(jìn)水口在各種荷載作用下建基面上剪切應(yīng)力不是主要的。

圖8和圖9為各工況下塔底和塔背建基面上法向和切向位移分布圖，由圖中位移分布數(shù)據(jù)可以看出，在各工況下塔底和塔背建基面上法向和切向位移均較小，完建工況下最大，位移值為0.006m。

圖6 建基面各工況法向應(yīng)力分布圖

圖7 建基面各工況切向應(yīng)力分布圖

圖8 建基面各工況法向位移分布圖

圖9 建基面各工況切向位移分布圖

從以上各工況塔底和塔背建基面上法向應(yīng)力、切向應(yīng)力、法向位移及切向位移等一系列計(jì)算成果可以看出，岸塔式進(jìn)水口在各種荷載作用下，建基面上主要以法向應(yīng)力為主，切向應(yīng)力、法向位移和切向位移均較小，基本可以忽略不計(jì)。因此，對岸塔式進(jìn)水口進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，只要建基面上的法向應(yīng)力在巖體允許承載力范圍之內(nèi)，塔體就不會發(fā)生整體失穩(wěn)。

4 二維有限元與常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算結(jié)果對比

為了驗(yàn)證Phase2程序計(jì)算結(jié)果的可信性，筆者同時(shí)采用常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法[1][2]對岸塔式進(jìn)水口各工況下塔背和塔底建基面上法向應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，并與Phase2程序計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，對比結(jié)果見表4。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，兩種計(jì)算方法塔底和塔背建基面上法向應(yīng)力分布趨勢基本一致，塔底建基面上法向應(yīng)力Phase2程序計(jì)算結(jié)果較常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法偏大，而塔背建基面上法向應(yīng)力Phase2程序計(jì)算結(jié)果較常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法偏小。總體來看，兩種方法的計(jì)算結(jié)果差別不大，建基面上法向應(yīng)力的分布規(guī)律一致，說明采用Phase2程序的計(jì)算結(jié)果可信。

5 結(jié)論

通過采用Phase2程序?qū)Π端竭M(jìn)水口各工況下塔底和塔背建基面上法向應(yīng)力、切向應(yīng)力、法向位移、切向位移的計(jì)算，同時(shí)將塔底和塔背建基面上法向應(yīng)力與常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法所得結(jié)果進(jìn)行對比，得出如下結(jié)論：

（1）采用Phase2程序所得計(jì)算結(jié)果，可以直觀的看到塔底和塔背建基面上應(yīng)力和位移的分布情況。

（2）岸塔式進(jìn)水口在各種荷載作用下，塔底和塔背建基面上主要以法向應(yīng)力為主，只要塔底和塔背建基面上的法向應(yīng)力在巖體允許承載力范圍之內(nèi)，塔體就不會發(fā)生整體失穩(wěn)。

（3）采用Phase2程序計(jì)算得出的塔底和塔背建基面上法向應(yīng)力分布規(guī)律與常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法一致，說明采用該程序進(jìn)行岸塔式進(jìn)水口整體穩(wěn)定計(jì)算所得結(jié)果可信。

[1]楊欣先、李彥碩.水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社,1990.126-132.

[2]卞全.岸塔式進(jìn)水口整體穩(wěn)定計(jì)算方法的探討[J].西北水電，2008，(5):11-14.

[3]徐志英.巖石力學(xué)[M].北京：水利電力出版社.1981.229-233.

[4]鐘源清、秦湘.壓力墻式進(jìn)水塔的穩(wěn)定分析和反力計(jì)算[M].西安：水利電力部西北勘測設(shè)計(jì)研究院.1986.

[5]DL/T5398-2007《水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].