山區(qū)小型水電站結(jié)構(gòu)一體化模式分析論文
摘要：
為研究內(nèi)河小型電站結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)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(jié)構(gòu)，當(dāng)將結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)關(guān)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(guān)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(shè)計日益受到重視。這類電站上下各部分均為一個整體結(jié)構(gòu)，當(dāng)前對這類結(jié)構(gòu)分析主要是在簡化的基礎(chǔ)上以平面或空間體系來計算，這種分析方法不能考慮結(jié)構(gòu)的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)和受力特性。為此需要基于三維數(shù)值分析總結(jié)出一套相對完整的小型水電站計算實用技術(shù)體系，以適應(yīng)當(dāng)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(jié)構(gòu)體系和復(fù)雜荷載工況，將分析得到的結(jié)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(xué)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(cè)，右側(cè)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(zhì)構(gòu)造。
壩址位于郁山背斜北西翼或者說普子復(fù)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(zhì)。
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(zhì)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(zhì)灰?guī)r，水文地質(zhì)條件較復(fù)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(zhì)現(xiàn)象。
壩址無滑坡、危巖、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象存在。
6、風(fēng)化與卸荷。
壩址頁巖、粉砂巖及板巖表層強風(fēng)化帶厚度0.5——4.5m，灰?guī)r表層無強風(fēng)化層;弱風(fēng)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(xué)性質(zhì)。
壩址巖石按抗壓強度劃分，砂質(zhì)頁巖、粉砂巖、炭質(zhì)板巖及泥質(zhì)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(fēng)化石灰?guī)r(泥質(zhì)石灰?guī)r)：F-300kPa;中等風(fēng)化石灰?guī)r：f=1850kPa;中等風(fēng)化泥質(zhì)石灰?guī)r：F-1860kPa。素填土主要物理力學(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)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(xué)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(jié)構(gòu)自重外，計算中考慮的外荷載有：
①土壓力(恒載)。
②靜水壓力(活載)。
�、鄣装甯⊥辛�(活載)。
�、艿装鍧B透水壓力。
�、輽C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)。
�、咂痖]機房各柱豎向荷載。
三、有限元結(jié)果分析。
(一)地基應(yīng)力分析。
結(jié)構(gòu)地基最不利工況下的應(yīng)力基本上為壓應(yīng)力，除局部角點外，壓應(yīng)力值一般在1.4MPa以內(nèi)，控制工況為完建工況。結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在：
�、俚装蹇窟叾找粋�(cè)的頂部，門檻頂部最大拉應(yīng)力為1.15MPa，控制工況為低水運行工況，閘門段最大拉應(yīng)力為0.95 MPa，人字門檻頂部最大應(yīng)力1.05 MPa，門后段最大拉應(yīng)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(yīng)力1.21MPa，出口段最大拉應(yīng)力1.25 MPa。
③邊墩輸水廊道以上部分最大應(yīng)力出現(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(yīng)力分布：在吊物孑L與與進入孔的隔墻下端出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，深度約0.5米拉應(yīng)力為l.l——1.83MPa。
壓應(yīng)力分布：在吊物孔與進人孔的隔墻下端壓應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力值為7.53 MPa。地基巖體應(yīng)力分布均勻，且小于容許應(yīng)力。
(三)施工度汛工況。
兩孔流道均無水，進出口閘門關(guān)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(yīng)力集中主要出現(xiàn)在閘門上，其他區(qū)域拉應(yīng)力區(qū)小于0.36MPa，壓應(yīng)力小于1.39MPa。在閘門與混凝土的接觸處有局部應(yīng)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(yīng)力分布：應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在閘門上，其他區(qū)域拉應(yīng)力小于0.36MPa，壓應(yīng)力小于1.19MPa。在閘門與混凝土的接觸處有局部壓應(yīng)力集中。
(五)設(shè)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(yīng)力分布：在吊物孔與進人孔的隔墻下端出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，深度約0.5米拉應(yīng)力為0.83-1.80MPa。壓應(yīng)力分布：在吊物孑L與進人孔的隔墻下端壓應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力值為6.5MPa。地基巖體應(yīng)力分布均勻。
四、結(jié)論。
通過以上分析，得到主要結(jié)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(jié)構(gòu)，當(dāng)將結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的設(shè)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(guān)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(shè)計時應(yīng)予以高度重視。
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