潘薈霖，賈水欣，彭強(qiáng)

（1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065）

龍?zhí)ь^式放空洞及其閘室結(jié)構(gòu)的抗震特性研究

潘薈霖1，2，賈水欣1，2，彭強(qiáng)1，2

（1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065）

潘薈霖，賈水欣，彭強(qiáng).龍?zhí)ь^式放空洞及其閘室結(jié)構(gòu)的抗震特性研究[J].華南地震，2016，36（1）：44-48.[PAN Huilin，JIA Shuixin，PENG Qiang.Study on the Seismic Characteristics of the Dragon Tunnel and Lock Chamber Structure[J].South china journal of seismology，2016，36（1）：44-48.]

鑒于龍?zhí)ь^式放空洞及其閘室抗震動(dòng)力特性迄今研究鮮少，采用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)放空洞及其閘室工程實(shí)例進(jìn)行抗震特性研究，通過(guò)有限元軟件ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析得到自振頻率和典型振型圖，以及譜分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移狀況研究，分析表明整體結(jié)構(gòu)主要受到橫河向地震作用，放空洞進(jìn)水口、閘室頂部、反弧段始端的洞底等部位存在壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，該研究為相關(guān)工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要參數(shù)。

龍?zhí)ь^式放空洞；閘室；有限元；自振頻率；抗震性能

0 引言

目前我國(guó)大壩約有80％是建設(shè)在峽谷地區(qū)[1]，在狹窄河床上泄洪放空建筑物很難布置，而專(zhuān)門(mén)修建則施工復(fù)雜且工程造價(jià)高昂，故工程上多將施工導(dǎo)流任務(wù)完成后的導(dǎo)流洞改建為具有排沙泄洪、放空水庫(kù)等多種用途的永久隧洞[2]。這種二次合理利用可以很好解決上述泄洪問(wèn)題，將泄洪洞和導(dǎo)流洞合一布置時(shí)常做成“龍?zhí)ь^式”，這種龍?zhí)ь^式放空洞是目前比較常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式[3]。

在針對(duì)閘室結(jié)構(gòu)的研究中，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于放空洞及其閘室結(jié)構(gòu)研究主要是針對(duì)隧洞的體型及泄洪消能、摻氣減蝕理論和上下游的出入口形式理論。在閘室結(jié)構(gòu)探究中，王桂平等分析了瀑布溝水電站閘室結(jié)構(gòu)敏感部分，對(duì)其整體閘室以及關(guān)鍵剖面進(jìn)行了抗震受力分析[4]；在對(duì)龍?zhí)ь^放空洞的研究中，朱云蘭曾提出，中間閘室過(guò)流面積適當(dāng)縮小，有助于避免洞內(nèi)負(fù)壓出現(xiàn)并減少泄洪洞空蝕現(xiàn)象發(fā)生[5]。但是這些僅是針對(duì)閘室或龍?zhí)ь^隧洞的研究，而對(duì)整體結(jié)構(gòu)在地震作用下的研究鮮有涉及。

本文結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行數(shù)值模擬，采用振型分解反應(yīng)譜法研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，對(duì)龍?zhí)ь^式放空洞及其閘室結(jié)構(gòu)在地震作用下進(jìn)行全面受力分析，本研究成果對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行均有工程價(jià)值。

1 放空洞及閘室地震效應(yīng)分析

放空洞及水閘地震作用效應(yīng)主要通過(guò)動(dòng)力法和擬靜力法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，擬靜力法在抗震設(shè)計(jì)中雖已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但終歸無(wú)法真實(shí)模擬地震下水工結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能，對(duì)工程抗震設(shè)防烈度為8度的水閘往往采用動(dòng)力法來(lái)進(jìn)行分析[6]，而時(shí)程分析法和振型分解反應(yīng)譜法是目前普遍運(yùn)用的兩大動(dòng)力計(jì)算方法。在放空洞及水閘工程的抗震動(dòng)力分析中，優(yōu)先采用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震動(dòng)力特性分析。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況及計(jì)算參數(shù)

該水庫(kù)正常蓄水位為3 278 m，死水位為3 248 m，放空洞及閘室工程結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示，放空洞進(jìn)口型式為豎井式，進(jìn)水口底板高程為3 210 m，閘室總長(zhǎng)為21 m，高度為73 m，底板厚2 m，閘室上游設(shè)一扇平板檢修閘門(mén)，其孔口尺寸（寬×高）為7.6 m×7.0 m，下游設(shè)一扇弧形工作閘門(mén)，其孔口尺寸（寬×高）為7.6 m×6.0 m，放空隧洞為圓拱直墻形，隧洞凈空尺寸（寬×高）為7.6 m×8.3 m。

圖1 放空洞及閘室工程結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure map of the Dragon tunnel and chamber of sluice

結(jié)構(gòu)選取強(qiáng)度等級(jí)為C25的混凝土，彈性模量為28 GPa，泊松比為0.167，重度為24k N/m3，山體巖性為花崗巖，強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層和基巖的彈性模量依次取為0.75 GPa、0.25 GPa、5.0 GPa，工程設(shè)防烈度為8度，水平設(shè)計(jì)地震加速度代表值為0.2 g，場(chǎng)地特征周期為0.4 s。

2.2 計(jì)算模型

本文利用大型有限元通用軟件ANSYS進(jìn)行三維數(shù)值模擬，取放空洞、閘室豎井、圍巖整體作為對(duì)象建立模型，取X方向?yàn)轫標(biāo)鞣较?，Y方向?yàn)殂U直向上方向，Z方向?yàn)闄M水流方向，按照真實(shí)尺寸建立有限元模型。計(jì)算長(zhǎng)度取為自放空洞進(jìn)口以下165 m，基巖底部邊界取為自閘室底板以下147 m，約為閘室高度的約2倍，橫河向兩側(cè)基巖的寬度取為24 m，為閘室底板寬度約1倍。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與要求，錨固部位采用Line8（錨桿單元），放空洞結(jié)構(gòu)和圍巖采用solid45（三維實(shí)體單元)。所建整體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，該模型共66 803個(gè)節(jié)點(diǎn)，64 405個(gè)單元，放空洞及閘室三維有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

2.3 模態(tài)分析

圖2 整體結(jié)構(gòu)三維有限元模型示意圖Fig.2 The three-dimensional finite element model of structure

圖3 放空洞及閘室三維有限元網(wǎng)格模型示意圖Fig.3 Three-dimensional finite element mesh model of the Dragon tunnel and chamber of sluice

動(dòng)力分析中對(duì)其混凝土的動(dòng)態(tài)彈性模量較其靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值提高30％，設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值的代表值取2.25，結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05。通過(guò)模態(tài)分析中子空間法（Subspace）可以得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有頻率與固有振型，在通用后處理器中擴(kuò)展10階模態(tài)數(shù)，得到結(jié)構(gòu)的前10階固有頻率以及對(duì)應(yīng)的振型，其計(jì)算結(jié)果分別為1.77 Hz、3.01 Hz、3.42 Hz、4.29 Hz、4.56 Hz、5.01 Hz、5.70 Hz、5.85 Hz、5.87 Hz、6.16 Hz。發(fā)現(xiàn)自振頻率之間差值較小且排布緊密，第10階與第1階之間大小差別不超過(guò)5 Hz，這表明放空洞閘室整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能良好。1～2階模態(tài)頻率漲幅為70.33％，其躍變較大，自振頻率隨模態(tài)階數(shù)的增加呈明顯的分段集中趨勢(shì)，其中2～3階模態(tài)漲幅13.69％與4～5階模態(tài)漲幅6.31％差別較小，7～10階模態(tài)頻率相對(duì)集中并且頻率漸變幅度不大，雖然于中間幾段激勵(lì)頻率呈現(xiàn)一定傾向躍變上升，這說(shuō)明結(jié)構(gòu)振動(dòng)略顯復(fù)雜變化趨勢(shì)，但是縱觀整體頻率相對(duì)比較穩(wěn)定緊密。

由圖4給出的典型振型圖可以看出，當(dāng)?shù)卣鸺?lì)施加時(shí)，結(jié)構(gòu)一階振型呈現(xiàn)沿閘墩垂直方向振動(dòng)，二階振型呈現(xiàn)橫河向傾斜，隨著頻率的增大，三階及其以上振型除呈現(xiàn)朝沿閘墩垂直向、橫流向平移振動(dòng)外，都疊加有橫向的扭轉(zhuǎn)藕合振動(dòng)，此時(shí)平移、彎曲、扭轉(zhuǎn)相互疊加使得結(jié)構(gòu)振型稍顯復(fù)雜，且上部的變形位移要比下部變形位移明顯，分析表明上部結(jié)構(gòu)和進(jìn)水口方向約束較小，導(dǎo)致該突出部分地震反應(yīng)加劇，破壞也更為嚴(yán)重。

圖4 結(jié)構(gòu)典型振型圖Fig.4 The typical vibration model of structure

2.4 譜分析

基于模態(tài)分析得到的固有頻率和模態(tài)振型，在計(jì)算模態(tài)解的基礎(chǔ)上利用反應(yīng)譜曲線，對(duì)有限元模型進(jìn)行單點(diǎn)響應(yīng)譜分析，依次施加自重、靜水壓力以及地震荷載，動(dòng)力荷載分為多個(gè)荷載步施加。

2.4.1 位移分析

為比較來(lái)自不同方向的地震動(dòng)力特性，對(duì)順河向（X向）、豎向（Y向）和橫河向（Z向）三個(gè)方向分別施加激勵(lì)，得到地震作用下放空洞沿X、Y、Z三個(gè)方向的最大響應(yīng)匯總于表1。從表1可以看出在順河流地震作用下，閘室結(jié)構(gòu)速度、加速度明顯最大。最大位移響應(yīng)值發(fā)生在閘室結(jié)構(gòu)中上部、頂部，其值為94.45 mm，且呈現(xiàn)從上到下均勻減小的趨勢(shì)，表現(xiàn)出“鞭梢效應(yīng)”。分析表明于整體而言振動(dòng)變形均不大，三個(gè)方向的振型均在結(jié)構(gòu)振動(dòng)中起到了重要作用，但結(jié)構(gòu)Z向位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于X向和Y向，說(shuō)明結(jié)構(gòu)垂直水流方向的橫向振動(dòng)危險(xiǎn)性最高，Z向地震對(duì)該整體安全穩(wěn)定性起控制作用。

2.4.2 應(yīng)力分析

在正常水位、自重及地震的作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)見(jiàn)圖5。結(jié)構(gòu)沿三個(gè)方向的最大拉應(yīng)力相差不大，均在2.8 MPa左右，位置均在閘室結(jié)構(gòu)與龍?zhí)ь^反弧段接觸部位，說(shuō)明該處即為應(yīng)力集中部位，可適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度，必要時(shí)適當(dāng)配置鋼筋進(jìn)行加固。在放空洞進(jìn)水口、閘室頂部、反弧段始端的洞底、洞頂以及錨桿錨固部位均出現(xiàn)了較大壓應(yīng)力分布區(qū)，且三個(gè)方向的最大壓應(yīng)力也基本相當(dāng)，在-18.2 MPa左右，超出了混凝土軸心極限抗壓強(qiáng)度6.3 MPa，因?yàn)檫@些部位約束較少或結(jié)構(gòu)易發(fā)生突變，在強(qiáng)震中其結(jié)構(gòu)易滋生微小裂紋，所以這些部位應(yīng)該成為抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)區(qū)域。由于基礎(chǔ)部位是由原導(dǎo)流洞封堵改建成龍?zhí)ь^式放空洞，對(duì)地基可采用加強(qiáng)固結(jié)灌漿措施。地震是具有瞬時(shí)性和持續(xù)性，動(dòng)靜力聯(lián)合作用對(duì)整體受力結(jié)構(gòu)有一定影響，建議設(shè)計(jì)時(shí)整體把握結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，施工中采用提高材料強(qiáng)度的方法加固薄弱部位。

表1 地震作用下結(jié)構(gòu)三個(gè)方向的最大響應(yīng)Table 1 The maximum response of structures in three directions under earthquake

圖5 結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力圖Fig.5 The third main stress of the structure

3 結(jié)語(yǔ)

（1）結(jié)合工程實(shí)例利用ANSYS軟件對(duì)放空洞、閘室及圍巖進(jìn)行三維有限元建模，采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果表明：自振頻率隨模態(tài)階數(shù)的增加呈明顯的分段集中趨勢(shì)，由典型振型圖可得，結(jié)構(gòu)多以平移、彎曲和扭轉(zhuǎn)相互疊加方式振動(dòng)，上部結(jié)構(gòu)和進(jìn)水口方向約束較小易受地震破壞。

（2）由譜分析得出閘室結(jié)構(gòu)中上部、頂部為最大響應(yīng)部位，且從上到下均勻減小呈現(xiàn)出“鞭梢效應(yīng)”。放空洞及閘室主要受橫河向地震控制，在閘室結(jié)構(gòu)與龍?zhí)ь^反弧段接觸部位存在應(yīng)力集中，放空洞進(jìn)水口、閘室頂部、反弧段始端的洞底、洞頂以及錨桿錨固部位出現(xiàn)了較大壓應(yīng)力分布區(qū)，均超出混凝土抗壓強(qiáng)度，為抗震設(shè)計(jì)薄弱部位，可進(jìn)行局部抗震加固。

[1]潘家錚，何璟.中國(guó)大壩50年[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.

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Study on the Seismic Characteristics of the Dragon Tunnel and Lock Chamber Structure

PAN Huilin1，2，JIA Shuixin1，2，PENG Qiang1，2
（1.Hydraulics and the Development and Protection of State Key Laboratory of Mountainous Rivers of Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.School of Water Resources and Hydropower of Sichuan University，Chengdu 610065，China）

As so far，given the fact that the seismic dynamic characteristics of the dragon tunnel and lock chamber structure have been rarely studied，this article study the seismic characteristics of engineering example of dragon tunnel and lock chamber structure by using the mode -superposition response spectrum method.Through the finite element method software ANSYS，the paper does the model analysis and the spectrum analysis，and obtains the vibration frequency，typical vibration diagram and its structures' stress and displacement conditions.The results show that the overall structure is mainly controlled by the Henghe earthquake；the chamber of sluice intake，the top of the chamber，flip bucket and other parts occur compressive stress concentration phenomenon.The study provides an important parameter for the optimization design of related projects

The Dragon tunnel；Chamber of sluice；The finite element method；Natural frequency of vibration；Seismic performance

P315.92

A

1001-8662（2016）01-0044-05

10.13512/j.hndz.2016.01.007

2015-03-16

潘薈霖（1991-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樗こ?

E-mail：panhuilinp@163.com.