水电站厂房的三维有限元静力计算分析

【摘 要】水电站厂房作为挡水建筑物，要承受上、下游水平作用力，使河床式厂房的内力分布较其它型式的厂房更加复杂，轴流式机组型式、受力方式有自身特点，为了全面了解厂房坝段应力、位移状态，采用ansys软件对水电站厂房进行整体三维静力有限元仿真模拟计算，使厂房结构设计更加合理、安全、经济。

【关键词】水电站厂房；模拟；静力计算

1 工程概况

某水电站位于大渡河干流上。本工程采用混合开发方式，即建坝壅水高20.0m，河床式厂房，厂后接长约9461m的尾水渠，尾水渠利用落差15.5m。电站正常蓄水位398.0m，相应库容6330×104m3。

水电站为河床式水电站，属大体积混凝土大型框架结构。电站厂房布置于右岸漫滩和主河床一带。河床覆盖层为砂卵砾石层。根据勘探和试验资料，在高程337.68～343.83m以下为薄层状砂岩夹中厚层砂岩及泥岩薄层，为厂基地基持力层。

2 基本数据

河床厂房为2级建筑物。上游正常蓄水位为398.00m。下游：设计洪水位380.84m 。基岩以薄层状砂岩为主。容许承载力1.0MPa。变形模量0.8GPa。泊松比 0.3。抗剪断摩檫系数f′=0.65。抗剪断粘聚力c′＝0.1MPa。抗剪摩檫系数f=0.45。抗剪断粘聚力c＝0MPa混凝土标号:C20。 容重2.45t/m3弹性模量 25.5GPa变形模量25.5GPa泊松比 0.167。淤积高程 381.19m泥沙干容重 1.15 t/m3泥沙孔隙率0.556。地震设防烈度7.3°；场地类别：Ⅰ。50年超越概率10%，特征周期Tg为0.4（sec），基岩水平峰值加速度116cm/s2。

计算工况：上游正常蓄水位398m，下游水位360.821m，渗透压力折减系数1；

3 计算目的

厂房是由多个孔洞组成的复杂三维孔洞结构。全面了解厂房坝段应力、位移状态，使厂房结构设计更加合理、安全、经济。

坝高选取50m，上游面竖直，下游坝坡1:0.74；坝底宽度34.04m，坝顶宽度4m。上游水位高46m，下游水位0m。坝体和坝基取相同材料，弹性模量E=2×104MPa，泊松比0.2，材料密度24kN/m3。用ANSYS软件计算结果与《标准》结果以及材料力学法计算结果进行对比分析。为了能够与《标准》进行对比，单元类型选择平面三角形六节点单元。坝基上、下游各取一倍坝高，坝基深同样取一倍坝高。上、下游边界条件简化为连杆约束，底面为固定约束。坐标原点取在坝踵处，横坐标指水平方向，竖坐标为竖直方向。

在水压力作用下，《标准》有限元计算结果在坝踵单元垂直应力为5.19MPa，ANSYS计算结果为5.37MPa，结果非常接近；材料力学法计算结果在坝踵垂直应力为-0.848MPa，《标准》材料力学法计算结果-0.848MPa，完全相同。

从对比分析可知ANSYS软件计算结果是图；机组坝段基础面以及 5个典型剖面的X、Y、Z三个方向正应力云图。图中拉应力为正，压应力为负，单位为MPa；位移指向坐标轴正向为正，反之为负，单位为m。

机组坝段主要部位应力分析如下：

（1）机组坝段基础面

机组坝段基础面上游侧X向（顺水流方向）最大拉应力为2.5MPa，主要出现在基础面上游边缘，属于应力集中现象，并且从上游到下游应力衰减很快，在距上游面1.5m左右衰减至1.8MPa，距上游面3m衰减至0.7MPa。压应力出现在基础面偏下游侧，压应力较小，不超过0.8MPa。

Y向（竖向）应力均为压应力，大部分区域在-0.5MPa～-1.2MPa。

Z向（坝轴线方向）在下游边缘的左、右侧出现拉应力，最大0.5MPa，上游边缘的左、右侧有应力集中现象，其它大部分区域为压应力，压应力较小。

由以上分析可知，机组坝段建基面Y向（竖向）应力为压应力，机组坝段建基面上游边缘X向（顺水流方向）和Z向（坝轴线方向）虽然有拉应力，但衰减很快，不会影响机组坝段的安全运行

（2）进水口

进水口X向最大拉应力为1.6MPa，出现在进水口胸墙底部，影响范围较小。

Y向最大拉应力为0.2MPa, 出现在进水口胸墙底部。

Z向最大拉应力为1.2MPa，出现在进水口顶板与墩墙相交处。

（3）发电机层楼板

发电机层顶板上表面X向拉应力较大，X向最大拉应力约为2.7MPa，出现在发电机层楼板与下游柱子相交处。

Y向应力较小，拉应力小于0.6MPa。

Z向拉应力最大为1.5MPa，出现在发电机楼板与风罩筒相交部位。

（4）副厂房

副厂房楼板X向应力较大，最大拉应力3.3MPa，出现在372.836m高程楼板与下游柱、尾水墩墙交接部位以及383.136m高程楼板与下尾水墩墙交接部位。

Y向拉应力最大值为1.6MPa，出现在尾水墩墙与372.836m高程楼板交接部位。

Z向应力最大值为不到1.0MPa，出现在372.836m高程楼板与下游柱相交处。

（5）机组坝段整移

机组坝段X向位移为0.0022m～0.0201m，整体向下游位移，上部位移比下部位移大，左侧位移略大于右侧位移，最大位移出现在主厂房下游左侧柱的顶部Y向位移范围为-0.0104m～-0.0002m，整体竖向向下位移，下游位移大于上游位移，最大的竖向向下位移出现在副厂房最高层楼板正中间和尾水闸墩顶部。Z向位移范围为-0.0015m～0.0024m，机组坝段底部向左侧位移，顶部向右侧位移，最大位移出现在尾水右侧墩墙的顶部。

作者简介：

鲜世雄，男，1976年4月，工程师，中国水利水电第四工程局有限公司