山區(qū)小型水電站結構一體化模式分析論文
摘要：
為研究內(nèi)河小型電站結構整體的力學特性，以實際工程為依托進行了三維數(shù)值模型分析。分析發(fā)現(xiàn)山區(qū)電站上下各部分均為一個整體結構，當將結構作為一個整體進行三維數(shù)值分析時，會得到某些局部位置出現(xiàn)引力集中或塑形變形;對于山區(qū)電站整體分析模型的最不利工況為校核洪水工況;結構關鍵的控制位置為吊物孔與進人孔附近的二期混凝土，以及閘門與壩體的接觸部位。
關鍵字：山區(qū)小型水電站：數(shù)值分析
隨著三峽庫區(qū)航道等級的提高和西部經(jīng)濟的快速發(fā)展，以及內(nèi)陸地區(qū)對外經(jīng)貿(mào)的快速發(fā)展，山區(qū)河流小型水電站的設計日益受到重視。這類電站上下各部分均為一個整體結構，當前對這類結構分析主要是在簡化的基礎上以平面或空間體系來計算，這種分析方法不能考慮結構的復雜三維結構和受力特性。為此需要基于三維數(shù)值分析總結出一套相對完整的小型水電站計算實用技術體系，以適應當前地方經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。
本文基于大型通用軟件的二次開發(fā)，以實際工程為例，考慮水電站的三維結構體系和復雜荷載工況，將分析得到的結果與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對比分析，驗證數(shù)值分析的可靠性;隨后通過大量變動參數(shù)的'數(shù)值分析，探討水電站整體模型力學特性。
一、工程概況。
1、地形地貌
。壩址屬喀斯特—侵蝕中低山地貌單元的寬谷斜坡地形。河段上、下游河谷都很開闊，僅在壩址一帶約120m河段河谷相對較窄。壩址左岸岸坡為順向邊坡，坡面較平順，在高程260——270m坡度190左右，270m高程以上地形坡度約270。其中兄弟廟喀斯特洞(KW2)出口位于左岸兩壩線下游，泉水出口高程255m;電站階地位于左岸兩壩線上游，階面高程260——263m。右岸屬典型的基座階地(由基巖組成，上覆少量沖積物)，階坡坡度36——440，階面高程262—280m，總體上游較高，向下游漸低，階面寬約250m。河床寬約127——140m，主流偏向左側，右側河漫灘發(fā)育，河底高程248.10——249.OOm。河谷剖面形態(tài)為寬緩的“U”型，在正常蓄水位266m高程河谷寬約216——260m。
2、地層巖性。
壩址出露地層由老到新依次為下奧陶統(tǒng)大灣組( Old)、中奧陶統(tǒng)十字鋪、寶塔組(02s+h)、上奧陶統(tǒng)臨湘組( 03l)和五峰組(03w)、志留系下統(tǒng)龍馬溪組第一段(Sllnl)，在河床、階地及斜坡地帶堆積有第四系沖積層( Q4al)、第四系殘坡積層(Q4el+dl)。
3、地質構造。
壩址位于郁山背斜北西翼或者說普子復式向斜南東翼之次級褶皺——清水溪向斜南東翼。此外青岡灣揉皺背斜自郁山正斷層經(jīng)清平鄉(xiāng)、壩址南東，傾沒于普子河口一帶，軸線長約3km，軸向N700E。壩址位于該揉皺褶皺北西翼，巖層走向Nl0.W——Nl0.E，傾向近正西，巖層傾角160——25。而壩址上游巖層產(chǎn)狀N400EYNWL160。
在左岸，郁山背斜被北西——南東向斷層Fl(郁llJ正斷層)、F2(青龍咀正斷層)切割。其中，F(xiàn)l距壩址最短距離約1.4km，F(xiàn)2距壩址最短距離約400m，對壩址無直接影響。
在右岸，新發(fā)現(xiàn)斷層F20斜切右壩肩，產(chǎn)狀為N39。ENW L720，斷距約15m，斷帶寬度2.9——4.7m，延伸長度大于1000m。鉆孔CZK17和CZK35分別在深度34.2——41.8m、29.8——41.8m揭露其斷層角礫巖。
4、水文地質。
壩址右岸地層均為志留系下統(tǒng)龍馬溪組第一段( Sllnl)的砂質頁巖及粉砂巖，左岸為奧陶系中，卜.統(tǒng)灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r及泥質灰?guī)r，水文地質條件較復雜。按地下水賦存條件，壩址地下水可分為第四系孔隙水、碎屑巖基巖裂隙水及喀斯特水三類。
5、不良地質現(xiàn)象。
壩址無滑坡、危巖、泥石流等不良地質現(xiàn)象存在。
6、風化與卸荷。
壩址頁巖、粉砂巖及板巖表層強風化帶厚度0.5——4.5m，灰?guī)r表層無強風化層;弱風化層底界埋深在25——40m之間。壩址水平卸荷作用不明顯。
7、巖石物理力學性質。
壩址巖石按抗壓強度劃分，砂質頁巖、粉砂巖、炭質板巖及泥質灰?guī)r、灰?guī)r均屬中硬巖，巖體抗壓、抗剪及抗變形性能較好。
根據(jù)地勘：巖土層容許承載力建議為：粘土：F-160kPa;強風化石灰?guī)r(泥質石灰?guī)r)：F-300kPa;中等風化石灰?guī)r：f=1850kPa;中等風化泥質石灰?guī)r：F-1860kPa。素填土主要物理力學參數(shù)建議值為：天然狀態(tài)重度1 =21.50kN/m3;飽和狀態(tài)重度1=22.50kN/m3;粘土主要物理力學參數(shù)為：飽和狀態(tài)：重度-y =19.55kN/m3;飽和抗剪強度：內(nèi)聚力C=15.83kPa，內(nèi)摩擦角巾=9.15度;天然狀態(tài)：重度，=18.76kN/m3;抗剪強度：C=30.13kPa，書=15.65度。
推測滑動面的抗剪強度為：下河道：天然c=34.65kPa，書=18.00。;飽和c=18.20kPa，書=10.52。擋墻：天然c=34.65kPa，4)=18.000;飽和c=30.OOkPa，擊=16.500。
二、有限元模型。
本次計算斷面結構如圖1所示，根據(jù)實際工程需要，數(shù)值計算采用空間三維實體力學模型。有限元分析的參數(shù)與地勘建議值相同。
有限元計算主要進行了三種工況的計算，分別為：施工工況，運行工況，檢修工況。除結構自重外，計算中考慮的外荷載有：
�、偻翂毫�(恒載)。
②靜水壓力(活載)。
�、鄣装甯⊥辛�(活載)。
④底板滲透水壓力。
⑤機器豎向荷載(自重)。
�、迿C器縱向荷載(作用在人字門的靜水壓力)。
⑦起閉機房各柱豎向荷載。
三、有限元結果分析。
(一)地基應力分析。
結構地基最不利工況下的應力基本上為壓應力，除局部角點外，壓應力值一般在1.4MPa以內(nèi)，控制工況為完建工況。結構拉應力主要出現(xiàn)在：
①底板靠邊墩一側的頂部，門檻頂部最大拉應力為1.15MPa，控制工況為低水運行工況，閘門段最大拉應力為0.95 MPa，人字門檻頂部最大應力1.05 MPa，門后段最大拉應力為1.14MPa，控制工況為低水運行工況。
�、谳斔鹊肋M出口的頂部和底部，進口段最大拉應力1.21MPa，出口段最大拉應力1.25 MPa。
�、圻叾蛰斔鹊酪陨喜糠肿畲髴Τ霈F(xiàn)在各個奉箱底部.
(二)校核洪水工況。
兩孔流道充滿水，進出口閘門全開，防洪墻外達到校核洪水位，機組停止運行，上游水位比下游高4m。塑性區(qū)：翅性區(qū)出現(xiàn)在吊物孑L與進入孔的隔墻上(屬于二期混凝土)，深度約0.5米。其他區(qū)域無塑性區(qū)出現(xiàn)。拉應力分布：在吊物孑L與與進入孔的隔墻下端出現(xiàn)拉應力集中，深度約0.5米拉應力為l.l——1.83MPa。
壓應力分布：在吊物孔與進人孔的隔墻下端壓應力集中，最大壓應力值為7.53 MPa。地基巖體應力分布均勻，且小于容許應力。
(三)施工度汛工況。
兩孔流道均無水，進出口閘門關閉，機組段二期混凝土未澆注，兩臺機組均未安裝，防洪墻外達到施工度汛水位。上游水位比下游水位高2.75。應力集中主要出現(xiàn)在閘門上，其他區(qū)域拉應力區(qū)小于0.36MPa，壓應力小于1.39MPa。在閘門與混凝土的接觸處有局部應力集中。
(四)運行+檢修工況。
l#機運行，2#機檢修，l#機流道充滿水，2#機流道無水，兩臺機組均安裝，機組段=期混凝土澆注完畢，防洪墻外達到正常發(fā)電水位。上游水位比下游高12m。拉應力分布：應力集中主要出現(xiàn)在閘門上，其他區(qū)域拉應力小于0.36MPa，壓應力小于1.19MPa。在閘門與混凝土的接觸處有局部壓應力集中。
(五)設計工況(正常運行)。
兩臺機組發(fā)電，兩孔流道充滿水，進出口閘門全開，防洪墻外達到正常發(fā)電水位。上游水位比下游水位高Sm。塑性區(qū)：塑性區(qū)出現(xiàn)在吊物孑L與進人孔的隔墻上(屬于二期混凝土)，深度約0.5米。其他區(qū)域無塑性區(qū)出現(xiàn)。拉應力分布：在吊物孔與進人孔的隔墻下端出現(xiàn)拉應力集中，深度約0.5米拉應力為0.83-1.80MPa。壓應力分布：在吊物孑L與進人孔的隔墻下端壓應力集中，最大壓應力值為6.5MPa。地基巖體應力分布均勻。
四、結論。
通過以上分析，得到主要結論如下：
(一)發(fā)現(xiàn)山區(qū)電站上下各部分均為一個整體結構，當將結構作為一個整體進行三維數(shù)值分析時，會得到某些局部位置出現(xiàn)引力集中或塑形變形，這在這類電站結構的設計和計算中要予以充分注意。.
(二)山區(qū)電站整體分析模型的最不利工況為校核洪水工況。
(三)對于這類電站關鍵的控制位置為吊物孔與進人孔附近的二期混凝土，以及閘門與壩體的接觸部位，這些地方在實際設計時應予以高度重視。
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