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双江口洞式溢洪道出口挑坎应力位移特性分析

2024-09-15 78 上传者：管理员

摘要：建设中的双江口水电站洞式溢洪道是枢纽最大的泄洪建筑物，具有大泄量、高流速等特点，洞式溢洪道出口挑坎结构左侧临空且基础围岩较差，挑坎结构受力较为复杂，稳定性较差。本文对挑坎及周边岩体构建三维计算模型，计算分析了各工况下挑坎及周边岩体的应力及位移特性，为结构优化及采取措施提供了可靠的理论依据。

关键词：
双江口水电站
应力分析
挑坎结构
有限元计算
泄洪
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双江口水电站为一等大(1)型工程。洞式溢洪道为枢纽最大的泄洪建筑物[1],由进水渠段、控制闸段、无压洞段、明槽段和出口段组成，最大泄量为4 138 m3/s,最大流速可达45.04 m/s,在国内外水电项目中均属于较高水平。溢洪道出口挑坎结构及两岸边界条件复杂，采用传统计算方法计算困难，因此本文使用三维有限元的方法对各工况下挑坎及周边围岩应力特性进行计算分析，旨在研究挑坎结构在各工况荷载下的应力、位移特性，为挑坎结构优化及采取处理措施等提供设计依据。

1、计算模型与计算参数

1.1 计算模型及材料参数

使用结构建模软件3DE及有限元分析计算软件Ansys建立的洞室溢洪道及周边边坡三维有限元模型(见图1),结构顺流向范围为(溢)k2+079.49 m～(溢)k2+157.50 m,总长78.01 m,包括挑坎及部分泄槽结构，由于本文主要对挑坎结构的应力特性进行研究，不考虑结构分缝可以满足计算精度需求。

挑坎部位统一采用C9030混凝土，围岩自上而下分层分别为Ⅳ类围岩、Ⅲ类围岩、Ⅱ类围岩，对围岩的底面施加全约束，对围岩的左侧面、右侧面及上游面施加法向约束。对于模型的坐标系，x轴为水流方向，以顺水流方向为正，y轴为横水流方向，以水平向左(靠山侧)为正，z轴为竖向，以竖直向上为正。计算时假定混凝土和围岩为均匀、连续、各向同性的线弹体，各材料参数如表1所列。

图1挑坎及周边围岩三维有限元模型

表1材料参数

1.2 计算工况

根据DL/T 5166—2022《溢洪道设计规范》[2]和挑坎工作环境及安全运行要求，主要对不泄洪工况、宣泄设计洪水工况、宣泄设计洪水后排水失效工况、宣泄校核洪水工况以及地震工况共5个工况进行计算，工况及荷载组合见表1。

表2工况及荷载组合

2、静力计算结果与分析

2.1 位移特性分析

挑坎结构在各工况下的位移极值如表3所列，可以看出，在各工况下挑坎各向的位移趋势基本一致，且在横向和竖向的位移极值均不超过3 mm。

挑坎结构各向位移幅值均出现在工况4(宣泄校核洪水工况),其应力分布云图见图2,结构顺流向位移最大值为0.90 mm,方向指向上游，出现在挑坎上游泄槽段底板，横流向位移最大值为1.21 mm,方向向左，出现在挑坎右侧墩墙顶部，竖向位移最大值2.12 mm,方向竖直向下，出现在挑坎左侧墩墙。

由于挑坎的边界条件为右岸紧贴山体，左岸临空，所以挑坎位移并未表现出对称分布，右岸的横向位移明显大于左岸，竖向位移小于左岸，呈现出向左岸倾倒的趋势。

表3各工况挑坎位移极值及出现位置

图2计算工况4(宣泄校核洪水)挑坎结构位移云图

2.2 应力计算结果及分析

根据表4及图3可以看出，各工况下挑坎结构的应力分布基本一致，结构的绝大部分区域混凝土处于受压状态(未超过素混凝土抗压强度),其中下游右岸与岩体贴坡部位存在小范围集中，拉应力在竖向与横向分布均不过0.5 m。

各工况下，挑坎结构在横流向的最大应力为0.79 MPa,出现在校核洪水工况下挑坎下游左岸底部，挑坎结构在竖向的最大压应力为3.19 MPa,出现在挑坎下游右岸底部。

3、挑坎结构地震动力计算成果

3.1 自振特性分析

采用“无质量地基”法对洞式溢洪道出口挑坎的自振特性进行分析，并在图4中列出了结构的前三阶自振频率及振型。由图中可以看出挑坎结构的前三阶振型频率分别为8.20、9.26、10.11 Hz,其中第一阶振型主要为挑坎的横向运动，第二阶振型以结构的竖向运动为主，第三阶振型为结构的横向运动，位移最大值均位于挑坎上游泄槽段导墙顶部。

表4各工况挑坎应力极值及出现位置

图3计算工况(宣泄校核洪水)挑坎结构应力分布云图

图4挑坎结构前3阶自振频率及振型

3.2 地震动位移计算成果

根据《双江口水电站工程场地地震安全性评价报告》与《水电工程水工建筑物抗震设计规范》[3],本工程壅水建筑物及重要泄水建筑物抗震设防类别为甲类，洞式溢洪道挑坎计算采用的水平向峰值加速度为100年超越概率2%的基岩水平峰值加速度2.05 m/s2,同时考虑水平向地震作用和竖向地震作用，竖向地震峰值加速度取为水平向的2/3。

地震反应谱采用NB 35047—2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》规定的标准设计反应谱，场地特征周期为Tg=0.3 s,反应谱最大值的代表值βmax=2.25。

图5为地震工况下挑坎结构三向动位移分布云图。可以看出由于挑坎在横河向刚度相对较小，因此地震引起的横河向位移大于顺河向及竖向位移，地震工况下挑坎横河向动位移幅值为6.11 mm,出现位置在挑坎上游泄槽段左岸墩墙，挑坎顺河向动位移幅值为3.04 mm,出现在挑坎下游右岸墩墙顶部，挑坎竖向动位移幅值为5.81 mm,出现在挑坎上游泄槽段左岸墩墙。

挑坎横流向和竖向位移幅值均出现在挑坎上游泄槽段两岸墩墙，这是由于挑坎上游侧高程较高，地震反应比较明显，而由于上游溢洪道泄槽结构对挑坎上游面在顺水流向的法向约束作用，顺水流向的动位移幅值出现在挑坎下游右岸墩墙位置。

图5地震工况下挑坎结构动位移分布云图

3.3 地震动应力、静动叠加计算成果

挑坎结构在地震工况下的顺流向的动应力为5.53 MPa,横流向动应力为9.50 MPa,竖向动应力为8.46 Mpa。挑坎结构静+动应力、静-动应力叠加的应力云图如图6～7所示。

根据图6～7可以看出，“静+动应力叠加后”挑坎结构的拉应力幅值增加，三向拉应力的极值为9.46 MPa,出现在结构的横流向。

由于挑坎在横流向刚度较小，因此地震作用对挑坎横流向的应力、位移影响较为明显，地震工况下挑坎横流向的动位移明显大于其他两向位移。静动叠加后，挑坎结构在横流向的拉应力增幅明显，顺流向及竖向应力也有小幅增加，但各向应力幅值分布位置及拉应力区域基本没有变化。

图6地震工况下挑坎结构静+动应力分布云图

图7地震工况下挑坎结构静-动应力分布云图

4、结论

本文通过三维有限元法对双江口洞室溢洪道出口挑坎在各工况荷载下的应力位移特性进行计算分析，主要结论如下：

(1)泄洪高速水流为挑坎结构应力变形的主要来源，挑坎结构应力、变形的极值均出现在校核洪水工况，且最大应力、位移均位于在挑坎尾部流速较大的部位。

(2)静力工况下，挑坎结构位移极值均不超过3 mm,说明挑坎结构有足够的刚度。