进水口坝段静动力仿真分析

进水口坝段静动力仿真分析

徐铭

中国葛洲坝集团第二工程有限公司  四川成都  610000

摘要：应用有限元软件 ABAQUS，对大型水电站的进水口坝段进行三维静力和动力数值模拟。在此基础上，通过数值模拟，研究在不同动静工况下，不同部位发生拉压区的主控因素，以及不同部位的弱震位置。通过对各阶振动模态的分析，探讨各阶振动模态对反应的影响，并给出相应的计算方法。

关键词：进水口；坝段；静动力仿真

引言

进水口坝段是影响水力特性的主要因素之一，其坝墙高（111.5米）、开口截面（8米×12米）等特点与三峡进口坝段相似，为一种坝式进口形式。同时，在进水口坝段的后方，还存在着较高的边坡效应。载荷组合形式多种多样，尤其是在难处理工况下，具有较高的峰值电压、较大的拉压效应、较大的载荷作用范围及分布情况。水电站坝址区的基础地震烈度分别为7℃和8℃。利用 ABAQUS有限元程序，对进水口坝段的静、动力特性进行研究。

1、计算模型

1.1计算范围

以通常的工程经验和具体地质情况为依据，计算块基础选择的宽度是计算块自身的宽度，然后向上游和下游面各延伸1.3倍左右的特征宽度；在纵深方向上，选取的特征高程约为建基面下的1.4倍。

1.2位移边界条件与计算假定

岩石基础、混凝土结构等均被近似地视为均匀连续的线性弹性介质。工程基面的混凝土是不渗透的，库水压力和扬压力都是作用于相应的表面。

1.3有限元网格剖分

目前，在混凝土结构中，多以8个结点的六面体等参数单元为主，部分则以6个结点的五面体（三角柱）单元为主。在网格剖分上，充分考虑结构几何形态、受力特点、物质分布及断裂等因素的影响，对门槽、通风孔、导流孔、注浆通道等结构部分进行网格剖分，并对其进行加密处理，使之能满足不同区域的应力梯度差异[1]。

2、进水口结构静力研究

2.1典型工况下的结构分析

将基坑内、外两边作为平面扩展问题，对基坑下两个边进行约束，使基坑左右两个边沿河床的水平变形受限在基坑中。在静力计算时，考虑到水流横过方向上有构造缝，且水流横过方向上的位移很小，远小于构造缝的宽度，所以静力计算时，将上部混凝土结构作为其自由变形的极限值。

为方便对变形结果进行分析、对比，一般将变形量用“+”表示，即结构物的变形量与其相应的轴心轴线在正方向上相吻合，用“-”表示其变形量在各个轴心轴线上相吻合；如无特殊说明，计算的结果都是在全直角坐标系统内的全部位移值，一致同意的桩号，高度，水流方向上的结构尺寸都是用 m表示，而位移向量和位移分量的数值都是用 mm表示。

大坝竖向位移主要由自重、浮力和后倾角初位引起；在每次加载过程中，由于自重占主要地位，所以每次加载过程中，自重的垂向运动和重力运动是一致的。在第一种情况下，由于大坝后倾的初始偏差，大坝的竖直绝对位移比其它对应的情况要大，最大值为-2.609 mm （负值代表竖直向下）。当水位上升时，坝基面上的浮压增大，使坝基垂向位移减小。

2.2降低引水洞周边拉应力

第一，止水后移。假定将进水口坝段联合止水部分向后移动2 m，在计算时，坝体横向缝隙内的水压比在坝体横向缝隙内减小了0.7个百分点（也就是止水带上游建筑物所受的非均衡压力占总水头的30%）。

第二，横缝灌浆。接缝区的高度在330米以下，宽度为0.2毫米。在此基础上，对进水口坝段左侧、右侧各加设一根12。5米的弹性支撑点。考虑到拱坝和拱桥间存在较小的差异沉降，弹性支撑与拱桥间的摩擦系数为0.1；330米以上止水部位的桩号仍然是0+001.000米，在计算时坝横缝内的水压差为0.7；最后，以实际工程为例，对实际工程中可能出现的最大水位进行分析对比[2]。

2.3合理坝宽的确定

进水口坝段控制电压与导流洞断面尺寸、导流洞断面宽度有很大关系。为更好地反映坝体宽度及隧道截面大小对坝体承载力的影响，提出新的计算方法，即用来衡量入水口坝体形态的基本变量：坝体宽度/隧道直径。

在只考虑自重时，进水口坝段截面宽度对导流洞顶最大拉力的影响很小；相对地，进水口坝段加宽后，导流洞顶的最大拉力明显增加。但要从根本上解决这个问题，单纯的大坝宽是远远不够的，必须协同其它措施，以取得最优的效益。

3、静力计算成果分析

3.1混凝土变形

进水口坝段是一种坡口型大坝，整体混凝土结构的重心位于上游，其沿河方向上的水平、竖向位移均在大坝顶上。进水口坝段竖向位移主要由自重、浮力和后倾角初位引起；在每次加载过程中，由于自重占主要地位，所以每次加载时，自重的垂向运动和重力运动是一致的。导流洞的重力和内部水压的总和，是造成大坝过江变形的最大原因。在静力计算中，将坝体间存在着构造节点，并把上部混凝土结构所处的环境看作是对其自由变形的限制。研究发现，在水动力作用下，上层建筑的最大变形比支撑点的宽度要小（UZ<3.000 mm)，因此，把上层建筑看作是一种自由边界。

3.2结构应力分析

混凝土受拉应力集中在导流洞上、下周缘，以横向河流（导流洞周向方向）为主。峰值位于钟形月的上部，钟形月的下部，喷嘴附近，以及流道的转折部位。

在自重的单独作用下，喇叭口上板的横向拉应力峰值为3.546 MPa，通气孔的水平拉应力峰值为2.452 MPa，过渡段的水平拉应力峰值为1.684 MPa，分别占了正常蓄水位条件下总电压峰值的72.01%,41.71%,54.15%，这说明：由自重引起的拉应力占主导地位[3]。

由于导流洞在正常水位时，由于导流洞中的水压较大，所以，横河隧道中的横向张应力最大值为5.879 MPa。在此基础上，分析了导流洞两边的静水压对张应力的影响。

4、动力反应谱计算成果分析

4.1自振特性

在动力性能分析中，大坝的侧向刚度是最小的，而侧向位移也是最小的。将进水口坝段的侧向变形等效为平面应变问题，也就是在荷载作用下产生的水平变形。重力坝具有质量大、体积大、混凝土与基础弹性模量相差不大等优点，因而两者间存在着较强的相互作用。目前，人们普遍将基础视为没有弹性质量的情况。

在坝体上游，水压作用在坝体上的作用是通过对坝体的附加质量来实现的。在竖向坝面上，坝面的每一单位面积上，可以用韦氏加尔法求解。在动态分析时，考虑了大坝间的相互影响以及大坝沿河床水平方向的法向位移，大坝沿水流方向的刚度最小，使得大坝沿水流方向（X向）的全局振动在低频阶段起主导作用。在主要的8个模态中，有5个模态为水平模态和水流模态。

4.2谱分析的应力响应成果分析

以水电站进水口坝段为例，分别采用水平与竖向地震动输入，并对前20个振型进行分析。用各向异性地震动影响的平方和的平方根值来表示总体地震动影响。

由应力计算可知，在垂直方向上，高应力区主要集中在大坝部位及大坝后缘，平均增大367.46米。最大拉力发生在大坝部位。在地震响应中，竖直正应力的峰值是5.052 MPa，但是，由于其波幅较小，衰减迅速，静力分析时，大坝部位是受压区域。

4.3参与振型组合的频率阶数对动力反应结果的影响

随着振动模态的增多，结构的位移、电压响应也随之增大。当振动模态的数目增多时，这种增长速率就会减缓。大坝的一阶振动模态沿河道横向分布，模态参与系数较高；所以，各阶振型组合的横向流场响应并无明显差别：与前三阶比较，电压在2.530-2.580 MPa之间（差值2%）。

由以上结果可知，在采用反应谱法进行地震反应分析时，若所包含的振型数目过少，则所得到的反应结果会偏小。一般情况下，每一输入方向上至少包含5种主振型，保证在地震响应影响大于5%的振型均可参与到计算中，且可保证计算精度。

结语

在不同的组合条件下，进水口坝段顶部的整体结构在径向和径向上均有横向和纵向的位移，同时，大坝的左、右墙均有横向的位移；隧道顶、底侧的侧向压力是混凝土结构受力的主控因素，其产生的侧向压力主要来自于结构本身的重量以及在施工过程中所产生的水压。为了保证结构在地震作用下的安全性，必须对坝踵及坝后易发生破坏的部位进行加固。采用响应谱方法进行地震动响应分析时，若某一方向上的振型个数过小时，此方向上的响应剑就会变得很小，约20个阶次后就会趋于稳定。

参考文献：

[1] 唐碧华. 大型坝式进水口结构的静动力数值仿真与性能评价研究[D]. 湖北:武汉大学,2005.

[2] 刘秀美. 进水口坝段静动力仿真分析[J]. 水利科技与经济,2010,16(1):24-26.

[3] 黄虎. 大型水电站分层进水塔静动力数值仿真[D]. 天津:天津大学,2007.