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      某水電站進(jìn)水塔靜力穩(wěn)定性分析

      2021-04-27 06:52:44宋增偉李元慶
      水利科技與經(jīng)濟(jì) 2021年3期
      關(guān)鍵詞:進(jìn)水塔中墩塔體

      宋增偉,李元慶

      (沂水縣跋山水庫(kù)管理處,山東 沂水 276400)

      1 概 述

      進(jìn)水塔作為水利樞紐的一個(gè)重要組成部分,一旦受到破壞,將嚴(yán)重影響電站的正常運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。因此,對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析有著重要意義。程漢昆等[1]基于Ansys對(duì)進(jìn)水塔的抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行分析;尚俊偉等[2]對(duì)進(jìn)水塔塔體各關(guān)鍵部位的受力情況進(jìn)行了分析,并采取相應(yīng)措施以保證進(jìn)水塔的穩(wěn)定性;劉云賀等[3]基于黏彈性邊界分析了高聳進(jìn)水塔的地震動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本文基于大型有限元軟件ABAQUS建立某進(jìn)水塔地基靜力分析模型,進(jìn)行了三維有限元靜力計(jì)算,分析空庫(kù)及正常運(yùn)行工況下進(jìn)水塔的應(yīng)力、位移分布規(guī)律,總結(jié)評(píng)價(jià)最大應(yīng)力產(chǎn)生的原因,并針對(duì)性地提出相應(yīng)的加固處理措施。

      2 模型和計(jì)算工況

      2.1 計(jì)算模型

      某水電站采用岸塔式進(jìn)水口,共4個(gè)。進(jìn)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(gè)順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度為34.58 m,垂直于水流方向?qū)挾葹?1.40 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(biāo)系的說明。取左側(cè)進(jìn)水塔的左邊墩的左側(cè)外表面、迎水面以及底板上表面3面的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)。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?biāo)鞣较?,指向下游為正?/p>

      2) 計(jì)算范圍。選取兩個(gè)相鄰的進(jìn)水塔作為計(jì)算模型,自上游到下游左側(cè)進(jìn)水塔為①號(hào)進(jìn)水塔,右側(cè)為②號(hào)進(jìn)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(jì)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(cè)分別與塔體分縫邊墩外側(cè)表面一致,地基深度為114 m。

      3) 網(wǎng)格劃分。本次計(jì)算采用ABAQUS的C3D8八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元,計(jì)算模型共有109 872個(gè)單元、142 552個(gè)節(jié)點(diǎn)。

      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(jìn)行全約束,塔體之間為自由面。

      進(jìn)水塔及地基的整體三維離散模型見圖1和圖2,計(jì)算采用的材料參數(shù)見表1。

      圖1 水電站進(jìn)水塔及地基的整體三維有限元模型

      圖2 水電站進(jìn)水塔三維有限元模型

      表1 材料力學(xué)性能表

      2.2 計(jì)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(jì)算只考慮以下兩種工況,見表2。

      表2 計(jì)算工況

      3 穩(wěn)定性分析

      3.1 空庫(kù)工況結(jié)果分析

      1) 最大拉應(yīng)力。塔體的拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在進(jìn)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(xiàn)在與攔污柵墩的相交的位置。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)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?yàn)樵赮軸方向(水平垂直于水流方向)。同時(shí),進(jìn)水塔喇叭口出流道頂板中部位置也出現(xiàn)了0.138~2.384 MPa的拉應(yīng)力集中區(qū)。見圖3。

      2) 最大壓應(yīng)力。壓應(yīng)力呈現(xiàn)出隨著高程降低而逐漸增大的趨勢(shì),最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在塔體底部的邊墩位置,方向?yàn)樨Q直向下方向,其最大值為10 MPa。流道的邊墻位置也出現(xiàn)大約7.347 MPa的壓應(yīng)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(yīng)力與結(jié)構(gòu)自重的作用下,X向位移主要是結(jié)構(gòu)沉降,最大值出現(xiàn)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(jié)構(gòu)的豎向位移呈現(xiàn)出沿高程遞增而變大的趨勢(shì)。水平垂直于水流方向(Y向)的位移呈現(xiàn)出以進(jìn)水塔的中軸線對(duì)稱,最大值出現(xiàn)在進(jìn)水塔左側(cè)邊墩的下部位置,最大值為-0.813mm,右側(cè)邊墩的下部最大位移為0.774 7 mm,兩側(cè)的邊墩下部有分別向兩側(cè)彎曲的趨勢(shì)。在順?biāo)鞣较?Z向),進(jìn)水塔的中墩和邊墩的下部表現(xiàn)為正向位移,最大值為0.791 6 mm,而進(jìn)水塔的中上部表現(xiàn)為-Z向位移,最大值為1.616 mm。結(jié)構(gòu)綜合位移最大值出現(xiàn)在進(jìn)水塔的頂部,最大值為9.952 mm,綜合位移也呈現(xiàn)出沿進(jìn)水塔高程降低而變小的趨勢(shì)。各向位移分布情況見圖5-圖8。

      根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在進(jìn)水塔邊墩與中墩之間的連系梁上。這是因?yàn)檫叾赵谥亓ψ饔孟?,其下部有分別向兩側(cè)彎曲的趨勢(shì)以及中墩與邊墩的不均勻沉降導(dǎo)致下部的連系梁拉較嚴(yán)重,出現(xiàn)了最大拉應(yīng)力。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在進(jìn)水塔攔污柵墩的底部,則是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)自重引起的。

      圖3 工況1下Y向應(yīng)力分布云圖

      圖4 工況1下X向應(yīng)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(yùn)行工況結(jié)果分析

      1) 最大拉應(yīng)力。拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在進(jìn)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(xiàn)出沿高程降低而增大的趨勢(shì),最大值出現(xiàn)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(jìn)水塔底部流道頂板無明顯拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。

      2) 最大壓應(yīng)力。進(jìn)水塔壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在高程為2 857 m的塔背位置,最大值為10.24 MPa,見圖10。

      根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,當(dāng)結(jié)構(gòu)施加靜水壓力以后,結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況分布發(fā)生了明顯變化。最大拉應(yīng)力變?yōu)?.618 MPa,拉應(yīng)力增大是因?yàn)樵谶M(jìn)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(hào)進(jìn)水塔上部整體向Y軸正方向傾斜,②號(hào)進(jìn)水塔整體向Y軸負(fù)方向傾斜,兩個(gè)進(jìn)水塔靠近分縫的邊墩受靜水壓力的作用導(dǎo)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(xiàn)最大拉應(yīng)力。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在順?biāo)鞣较颍靥罨炷粮叱痰乃澄恢?,這是因?yàn)樵趦蓚?cè)靜水壓力的作用下導(dǎo)致①號(hào)進(jìn)水塔呈現(xiàn)出逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì),而②號(hào)進(jìn)水塔呈現(xiàn)順時(shí)針扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì),因此導(dǎo)致該高程的塔背位置出現(xiàn)最大壓應(yīng)力。由于結(jié)構(gòu)與荷載的對(duì)稱性,因此位移和應(yīng)力均呈現(xiàn)出以分縫面為對(duì)稱軸的對(duì)稱性分布。

      3) 位移分布情況。①號(hào)進(jìn)水塔在各方向的位移與②號(hào)進(jìn)水塔的位移情況呈對(duì)稱分布,對(duì)稱軸為兩個(gè)進(jìn)水塔分縫的中線。豎直方向(X向)位移,①號(hào)進(jìn)水塔沿Y向逐漸減小并且逐漸變負(fù)向位移,其中正向最大位移為24.65 mm,負(fù)向最大位移為40.71 mm,即從上游到下游看去,①號(hào)進(jìn)水塔的左側(cè)位移豎直向上、右側(cè)位移豎直向下,②號(hào)進(jìn)水塔右側(cè)位移豎直向上、左側(cè)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(xiàn)在邊墩的上部,①號(hào)進(jìn)水塔正向位移最大值為35.79 mm,②號(hào)進(jìn)水塔負(fù)向位移最大為35.22 mm。順?biāo)鞣较?Z向)位移從分縫位置到兩側(cè)逐漸減小并且由正到負(fù),其中正向位移最大為16.62 mm,負(fù)向最大位移為10.43 mm。綜合位移呈現(xiàn)出沿高程增大逐漸增大的趨勢(shì),3向最大位移均是出現(xiàn)在進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(jié) 論

      1) 通過對(duì)某水電站進(jìn)水塔進(jìn)行靜力分析,空庫(kù)及正常運(yùn)行工況下最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范要求。

      2) 兩種工況下最大拉應(yīng)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?yàn)檫叾兆冃味鴮?dǎo)致連系梁拉應(yīng)力過大的情況。

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