都 輝，王建新，陶俊佳，李 倩

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 研究背景

白鶴灘水電站泄洪消能具有“窄河谷、高水頭、巨泄量”的特點(diǎn)。樞紐泄洪消能建筑物由壩身6 個(gè)表孔和7 個(gè)深孔，壩后水墊塘，左岸3 條無壓泄洪直洞組成，最大總泄量為42348 m3/s。

3 條泄洪洞最大泄流量為12250 m3/s，約占總泄量的30%。3 條泄洪洞布置在左岸，采用無壓泄洪洞型式，平面上呈直線布置。進(jìn)口位于電站進(jìn)水口與大壩之間，出口位于白鶴灘溝對(duì)岸，采用挑流消能方式消能，挑流鼻坎結(jié)構(gòu)體形復(fù)雜，過水流速大，受力情況多變，在各種可能荷載，尤其是地震荷載作用下的應(yīng)力和變形分析尤為重要[1]。為了保證結(jié)構(gòu)安全，宜采用有限元數(shù)值分析對(duì)挑流鼻坎進(jìn)行空間應(yīng)力和變形分析，得到典型工況下的整體位移和應(yīng)力分布。

本工程地震基本烈度為Ⅷ度，設(shè)計(jì)地震標(biāo)準(zhǔn)取基準(zhǔn)期50年超越概率5%，相應(yīng)的地震水平向峰值加速度為276 gal，經(jīng)場(chǎng)地類別調(diào)整后為229 gal。工程中類似情況較少，有必要深入進(jìn)行抗震計(jì)算分析。本文利用大型三維有限元ANSYS 軟件對(duì)泄洪洞出口挑流鼻坎進(jìn)行靜動(dòng)力分析。

2 三維靜動(dòng)力分析

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 計(jì)算模型及假定

計(jì)算建立挑流鼻坎三維有限元模型，模型單元總數(shù)為39300，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為44633，巨大的計(jì)算規(guī)模可以有效地保證結(jié)構(gòu)分析模型的計(jì)算精度。有限元計(jì)算模型網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 挑流鼻坎有限元網(wǎng)格圖

基巖上下游邊約束水平順河向（X 向）位移，底邊全約束，左右兩側(cè)邊約束沿橫河向（Z 向）水平位移。基巖假定為各向同性、均勻連續(xù)的彈性體，鼻坎混凝土假定為不透水體，靜水壓力、脈動(dòng)壓力均只作用在相關(guān)面上。

為了便于建模和成果整理，計(jì)算中采用整體直角坐標(biāo)系CSYS，約定如下：

順河向從上游到下游為坐標(biāo)軸X 正向，垂直向上為坐標(biāo)軸Y 正向，利用右手坐標(biāo)系的規(guī)定，坐標(biāo)軸Z 的正向?yàn)樗綇臉屑~左岸向右岸為正。

采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算，振型組合方式為SRSS 法，得到的動(dòng)力效應(yīng)數(shù)值上全部為正值，由于地震時(shí)挑流鼻坎實(shí)際上處于來回振動(dòng)的狀態(tài)，正的動(dòng)力效應(yīng)和負(fù)的動(dòng)力效應(yīng)都有可能出現(xiàn)，因此與靜力效應(yīng)組合時(shí)分別考慮了以下兩種情況：①動(dòng)力效應(yīng)取正號(hào)與靜力效應(yīng)疊加（jl_add_dl）；②動(dòng)力效應(yīng)取負(fù)號(hào)與靜力效應(yīng)疊加（jl_sub_dl）。

2.1.2 計(jì)算參數(shù)

挑流鼻坎混凝土材料參數(shù)按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5057-2009）相關(guān)規(guī)定取值，見表1。

表1 各區(qū)材料主要物理力學(xué)參數(shù)的計(jì)算取值

2.1.3 計(jì)算荷載及工況組合

在挑流鼻坎三維有限元靜動(dòng)力計(jì)算中主要考慮的荷載有：①結(jié)構(gòu)自重；②靜水壓力；③脈動(dòng)壓力；④地震荷載，包括地震慣性力和地震動(dòng)水壓力。目前地震作用的常用計(jì)算方法有擬靜力法和動(dòng)力法[3]。動(dòng)力法分為反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法，本文采用反應(yīng)譜法進(jìn)行動(dòng)力分析；計(jì)算動(dòng)水壓力時(shí)，假設(shè)鼻坎內(nèi)高速水流不可壓縮，以附加質(zhì)量的方式計(jì)入計(jì)算[4]。

各工況的荷載組合見表2。

表2 工況及荷載組合表

2.2 位移成果與分析

為了便于成果分析比較，約定：位移值為“＋”，表示該結(jié)構(gòu)部位的位移與相應(yīng)的坐標(biāo)軸正向一致，“－”號(hào)表示沿各坐標(biāo)軸負(fù)向一致。各計(jì)算工況下。通過位移結(jié)果可知，各工況下，橫河向位移絕對(duì)值均大于鉛直向和順河向位移絕對(duì)值，說明挑流鼻坎主要以橫河向變形為主，其中橫河向位移最大值為工況4 下的8.70 mm，出現(xiàn)左邊墻頂部下游，即地震作用產(chǎn)生的橫河向負(fù)位移與水壓力產(chǎn)生的橫河向負(fù)位移疊加時(shí)出現(xiàn)橫河向最大位移絕對(duì)值。

圖2 工況4（jl_sub_dl）挑流鼻坎各方向位移云圖（mm）

表3 各工況鼻坎位移特征值表 單位：mm

2.3 應(yīng)力成果與分析

2.3.1 鼻坎整體主應(yīng)力

各工況下挑流鼻坎第一、第三主應(yīng)力峰值見表4，應(yīng)力分布云圖見圖3～圖4。主拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在工況4 下，動(dòng)力效應(yīng)取正時(shí)與靜力效應(yīng)疊加結(jié)果，為10.39 MPa，位置在右邊墻底部末端，屬于局部應(yīng)力集中。

表4 挑流鼻坎第一、第三主應(yīng)力峰值 單位：MPa

圖3 工況2 挑流鼻坎主拉應(yīng)力σ1、主壓應(yīng)力σ3應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖4 工況4 挑流鼻坎主拉應(yīng)力σ1（jl_add_dl）、主壓應(yīng)力σ3（jl_sub_dl）應(yīng)力云圖（單位：MPa）

2.3.2 鼻坎邊墻鉛直向應(yīng)力

各工況Y方向拉應(yīng)力峰值見表5，應(yīng)力分布云圖見圖5～圖6。

除工況1 最大拉應(yīng)力小于混凝土的抗拉強(qiáng)度外，其他工況拉應(yīng)力均超出混凝土的抗拉強(qiáng)度，需配置受拉鋼筋抵抗拉應(yīng)力，避免結(jié)構(gòu)破壞。動(dòng)力工況在配筋計(jì)算時(shí)需考慮0.35 的折減系數(shù)[5]，即工況3、工況4 考慮動(dòng)力折減后邊墻最大鉛直向拉應(yīng)力值分別為1.41 MPa、2.63 MPa。

圖5 工況2 挑流鼻坎左、右邊墻Y 方向應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖6 工況4（jl_add_dl）挑流鼻坎左、右邊墻Y 方向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

表5 鼻坎邊墻鉛直向拉應(yīng)力最大值 單位：MPa

2.3.3 鼻坎底板橫河向應(yīng)力

各工況下，挑流鼻坎底板Z 方向拉應(yīng)力峰值見表6，應(yīng)力分布云圖見圖7～圖8。

除工況1 最大拉應(yīng)力小于混凝土的抗拉強(qiáng)度（C9060 部分：1.65 MPa＜1.96 MPa，C9030 部分基本均小于1 MPa）外，其他工況拉應(yīng)力均超出混凝土的抗拉強(qiáng)度，需配置受拉鋼筋抵抗拉應(yīng)力，避免結(jié)構(gòu)破壞。動(dòng)力工況在配筋計(jì)算時(shí)需考慮0.35 的折減系數(shù)[5]。即工況3、工況4 考慮動(dòng)力折減后底板最大橫河向拉應(yīng)力值分別為0.82 MPa、2.25 MPa。

圖7 工況2 挑流鼻坎底板Z 方向應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖8 工況4（jl_add_dl）挑流鼻坎底板Z 方向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

表6 鼻坎底板橫河拉向應(yīng)力最大值 單位：MPa

3 邊墻高度對(duì)比分析

在確定上述挑流鼻坎體形為設(shè)計(jì)體形并進(jìn)行相應(yīng)三維靜動(dòng)力分析前，本文針對(duì)不同邊墻高度做了對(duì)比分析。選取工況2，以不同邊墻高度作為切入點(diǎn)，分析挑流鼻坎位移、應(yīng)力區(qū)別，給出邊墻設(shè)計(jì)建議。其中，高邊墻方案為對(duì)比方案，矮邊墻方案為設(shè)計(jì)方案。

不同邊墻高度下，挑流鼻坎位移特征值見表7，位移云圖見圖9～圖10；應(yīng)力特征值見表8，應(yīng)力分布云圖見圖11～圖12。通過計(jì)算分析可知，適當(dāng)降低邊墻高度的設(shè)計(jì)方案一定程度上減少了挑流鼻坎邊墻三向位移，改善了應(yīng)力狀態(tài)，拉應(yīng)力峰值減少近50%。

表7 工況2 不同邊墻高度時(shí)鼻坎位移特征值表 單位：mm

圖9 工況2 高邊墻方案挑流鼻坎各方向位移云圖（m）

圖10 工況2 矮邊墻方案挑流鼻坎各方向位移云圖（m）

表8 鼻坎邊墻鉛直向拉應(yīng)力最大值 單位：MPa

圖11 工況2 高邊墻方案挑流鼻坎左、右邊墻Y 方向應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖12 工況2 矮邊墻方案挑流鼻坎左、右邊墻Y 方向應(yīng)力云圖（單位：Pa）

4 結(jié)論

通過應(yīng)用有限元軟件ANSYS 對(duì)白鶴灘泄洪洞出口挑流鼻坎結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜動(dòng)力分析計(jì)算，得到其位移、應(yīng)力等方面結(jié)果，分析表明：

（1）白鶴灘泄洪洞挑流鼻坎結(jié)構(gòu)的位移和變形較小，壓應(yīng)力均小于混凝土抗壓強(qiáng)度，局部部位拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，需采用配筋方式保證挑流鼻坎的結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)行。

（2）挑流鼻坎因其體形、運(yùn)行方式和受力特點(diǎn)等原因，主要以橫河向變形為主，邊墻底部為主要受拉區(qū)，地震作用下更加明顯。

（3）挑流鼻坎底板亦是重點(diǎn)關(guān)注部位，部分工況底板拉應(yīng)力在橫河向貫穿，雖然應(yīng)力水平不大，但范圍較廣。

（4）邊墻高度對(duì)邊墻底部拉應(yīng)力影響明顯，在滿足挑流鼻坎運(yùn)行要求前提下適當(dāng)降低邊墻高度，可有效改善邊墻底部應(yīng)力狀態(tài)。