基于模型试验的水电站闸墩结构有限元分析.pdf

第8期2 0 2 3年8月广东水利水电G U A N G D O N G WA T E R R E S O U R C E S A N D HY D R O P OWE RN o.8A u g.2 0 2 3基于模型试验的水电站闸墩结构有限元分析石 磊1,2,周 正1,2,刘呈茂1,2(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,武汉 4 3 0 0 1 0;2.国家大坝安全工程技术研究中心,武汉 4 3 0 0 1 0)摘 要:重力坝坝身泄水孔闸墩三维有限元模拟的难点在于准确量化高速水流对闸墩结构作用荷载的大小,文中针对某水电站中孔异形闸墩结构,开展了单体水工模型试验,获得不同泄水工况下闸墩水面线以及时均压力的分布成果;在对试验成果进行分析后,根据试验成果对闸墩进行有限元数值仿真计算,获得闸墩应力变形计算成果,解决了高速水流下异形闸墩结构应力变形计算难题;文中提出的分析方法,在工程设计及应用方面具有一定的实用价值,可为类似工程提供参考。关键词:水电站;闸墩;有限元;水工模型试验中图分类号:T V 3 1 1 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 8-0 1 1 2(2 0 2 3)0 8-0 0 6 7-0 5 收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 9;修回日期:2 0 2 3-0 4-0 8作者简介:石磊(1 9 9 0-),男,硕士,工程师,从事水利水电工程设计工作。1 概述某水电站项目的工程主要任务是发电和灌溉,工程挡水建筑物为碾压混凝土重力坝,大坝坝身布置有泄洪系统,坝身泄洪系统由溢流表孔、中孔和临时底孔组成。溢流表孔为W E S实用堰,共有7孔,孔口尺寸为1 5.0 m 2 1.0 m(宽高),堰顶高程为1 6 3.0 m。中孔共有2孔,对称布置在溢流表孔两侧,为坝身有压泄水孔,进口底板高程为1 1 0.0 m,出口段孔口尺寸为5.0 m 6.0 m(宽高)。临时底孔主要用于水库蓄水初期的生态释放,它由埋置于大坝底部的5根钢管组成,钢管布置在大坝的溢流段,中心高程为7 1.5 m,工程完工后临时底孔将永久性堵塞。根据工程项目的要求,中孔的功能是降低水库水位,并在水坝蓄水期间和工程运行期间部分控制水库的高度,此外,中孔需向下游灌溉区补充灌溉用水,通过中孔下放到下游漫灌需要的流量为1 5 0 0 2 0 0 0 m3/s。项目招标文件要求,左右岸2个中孔泄流量不小于1 7 0 0 m3/s。通过中孔泄流能力计算以及工程整体模型试验结果,确定中孔在满足功能要求下上游库水位最大为1 7 6.0 m。中孔布置在溢流表孔两侧,在泄洪过程中,为了使中孔的泄水能很好的挑入表孔消力池内,因此,在结构设计阶段,将中孔出口处闸墩设计为圆弧异形结构,以改变中孔出水水流方向,满足挑流要求,中孔布置断面示意见图1,平面示意见图2。图1 中孔布置断面示意(单位:高程m,长度c m)图2 中孔布置平面示意(单位:m)中孔出口闸墩为异形结构,目前,采用常规材料力学方法很难将结构进行简化处理,进而很难获得异形闸墩结构的应力分布结果;此外,中孔为有压泄水孔,泄洪工程中,出口高速水流对闸墩的作用不同于静水压力,其分布存在不均匀性,目前针对高速流体76与固 体 相 互 作 用 通 常 采 用 流 固 耦 合 的 方 法 进 行模拟1-5。文章通过水工模型试验,获得中孔在不同工况下,中孔出口处闸墩上水面线及水压力的分布成果,通过对试验获得的水压力进行简化处理后,再采用有限单元法对中孔出口处闸墩进行应力分析6-1 5,分析结果可为设计人员对闸墩进行配筋计算提供支撑。2 水工模型试验2.1 水工模型试验内容水工模型试验采用单体模型试验,模型比尺为1 4 0;针对出口闸墩,主要测试不同工况下,中孔沿程水面线、闸墩时均压强。中孔最大运行水位为1 7 6.0 m,溢流表孔堰顶高程为1 6 3.0 m;在最大运行水位下,中孔泄量最大。此外,结合工程泄洪及灌溉要求,此时可能结合溢流表孔一起联合泄洪;当库水位小于等于溢流表孔堰顶高程1 6 3.0 m时,中孔为唯一泄洪通道,此时中孔单独泄洪;因此,单体模型试验主要对中孔在上游库水位分别为1 6 3.0 m和1 7 6.0 m两种泄洪工况下进行;同时,试验分别考虑工作弧门的4种不同开合情况,中孔单体模型试验见图3。图3 中孔单体模型试验示意为了准确的获得中孔出口闸墩上水压力的分布,模型试验分别在中孔出口底板、中孔出口闸墩侧面上布置数个时均压强测点,时均压强的测点布置见图4图5,此外试验过程中分别记录各工况下中孔出口水面线的分布,水面线分布将为有限元计算提供荷载分布范围的依据。图4 中孔沿程水压力测点布置纵断面示意图5 中孔沿程水压力测点布置平面示意2.2 试验结果根据图4 图5,中孔出口底板中线部位时均压强测点编号为1 6,其不同试验工况下时均压强测值见表1;中孔出口闸墩侧面上的时均压强测点编号为7 2 0,其不同试验工况下时均压强测值见表2。此外,根据中孔单体模型试验结果,在库水位为1 7 6.0 m,弧门全开的工况下,中孔出口底板及闸墩侧面上的时均压强测点测值均相较于其他工况要稍大,此工况下中孔出口闸墩水面线分布见图6。表1 弧门在不同开度下中孔中线底部压力9.8 1 k P a 测点编号测点位置全开3/4开度1/2开度1/4开度测点桩号/m高程/m库水位1 6 3.0 m库水位1 7 6.0 m库水位1 6 3.0 m库水位1 7 6.0 m库水位1 6 3.0 m库水位1 7 6.0 m库水位1 6 3.0 m库水位1 7 6.0 m10+0 5 3.2 0 1 1 0.0 06.9 27.0 07.2 08.0 04.4 04.6 01.2 00.8 020+0 5 6.5 0 1 1 0.0 06.7 26.8 04.6 04.7 22.8 02.8 01.2 01.2 030+0 6 0.0 0 1 1 0.0 05.2 04.8 02.2 01.8 00.8 00.4 0-0.4 0-0.8 040+0 6 6.0 0 1 1 0.0 05.6 05.2 02.0 01.2 00.6 00.2 0-0.6 0-1.0 050+0 7 2.0 0 1 1 0.0 09.0 81 0.8 05.2 05.4 02.8 03.0 01.2 01.2 060+0 7 7.0 0 1 1 0.0 01 6.2 02 0.0 81 2.6 01 5.0 09.2 01 0.6 02.2 02.2 0862 0 2 3年8月 第8期石 磊,等:基于模型试验的水电站闸墩结构有限元分析N o.8 A u g.2 0 2 3表2 弧门在不同开度下中孔出口闸墩侧面压力9.8 1 k P a 测点编号测点位置全开3/4开度1/2开度1/4开度测点桩号/m高程/m库水位1 6 3.0 m库水位1 7 6.0 m库水位1 6 3.0 m库水位1 7 6.0 m库水位1 6 3.0 m库水位1 7 6.0 m库水位1 6 3.0 m库水位1 7 6.0 m70+0 5 6.5 0 1 1 0.4 06.1 26.2 04.0 05.6 02.0 01.8 01.6 00.2 080+0 7 2.0 0 1 1 0.4 07.4 01 1.8 05.4 03.8 02.4 02.4 00.4 00.4 090+0 7 7.2 0 1 1 0.8 02 1.0 02 6.2 01 8.0 02 2.2 01 4.6 01 8.2 07.6 09.2 01 00+0 7 7.2 0 1 1 3.6 01 5.8 02 0.0 05.2 04.8 00.0 00.0 0无水无水1 10+0 8 0.3 8 1 1 0.8 02 7.8 03 3.6 02 6.8 03 2.0 02 3.8 02 8.8 01 8.6 02 2.6 01 20+0 8 0.5 2 1 1 3.6 02 1.4 02 8.8 01 6.0 01 9.2 06.6 08.8 0无水无水1 30+0 8 0.7 2 1 1 6.6 09.2 01 4.4 00.0 00.0 0无水无水无水无水1 40+0 8 2.8 4 1 1 0.8 03 0.8 03 7.6 03 0.2 03 8.0 02 6.8 03 2.4 02 1.6 02 7.0 01 50+0 8 3.2 9 1 1 3.6 02 3.4 02 9.6 01 5.6 01 9.0 47.8 09.6 00.0 00.0 01 60+0 8 3.8 3 1 1 6.6 01 0.4 01 3.8 00.8 00.2 00.0 00.0 00.0 00.0 01 70+0 8 4.3 8 1 1 9.4 03.0 04.2 00.6 00.6 0无水无水无水无水1 80+0 8 4.1 9 1 1 0.8 01 8.0 02 3.8 01 8.2 02 1.6 01 1.6 01 4.0 01 1.2 01 0.6 01 90+0 8 5.1 8 1 1 3.6 01 6.8 02 0.2 09.0 01 2.4 84.6 06.0 00.4 00.2 02 00+0 8 6.2 9 1 1 6.6 02.8 02.6 00.0 00.0 0无水无水无水无水图6 中孔弧门全开库水位1 7 6 m时出口水舌形态(水面线)示意3 闸墩有限元分析3.1 计算模型中孔出口闸墩的有限元计算模型如图7所示,数值模拟过程采用线弹性方法。闸墩及大坝坝体结构单元类型为s o l i d六面体单元。图7 中孔出口闸墩有限元计算模型示意3.2 荷载简化中孔闸墩所受荷载主要为泄洪时的水荷载,由于中孔为有压泄水孔,在中孔泄洪过程中,闸墩承受高速水流的水荷载作用,不同于静水压力,他的分布很难使用特定的计算公式表达。根据水力学模型试验结果(表1 表2),各测点的水压力在上游水位为1 7 6.0 m、弧门全开的情况下,达到最大值,因此,有限元计算采用该工况作为结构应力计算的控制工况,此工况下闸墩部位的水面线作为水荷载分布区域的依据,水荷载只在水面线以下部位闸墩侧及中孔出口底板上施加。有限元模型闸墩结构荷载分为自重与水压力荷载。根据水力学模型试验结果,闸墩直线段上的水压力要小于曲线段水压力,因此闸墩的水压力在直线段与曲线段分别添加,其中直线段水压力根据测点1 5以及7 8获得,曲线段水压力根据测点6以及9 1 7获得。根据模型试验水压力测值结果,将闸墩的水压力分布简化,直线段水压力如图8所示,曲线段水压力如图9所示。962 0 2 3年8月 第8期广东水利水电N o.8 A u g.2 0 2 3图8 闸墩直线段部位水压力的分布示意图9 闸墩曲线段部位水压力的分布示意3.3 计算结果计算模型坐标系为:垂直于上下游的方向为Z轴方向,右岸为正;上下游方向为X轴方向,下游为正;垂直向为Y轴方向,向上为正。中孔出口闸墩有限元计算应力及变形计算极值见表3所示(其中正号表示受拉,负号表示受压)。表3 闸墩应力变形计算结果项目最大值最小值等效弹性应变/(m/m)9.9 4 9 1 0-51.1 7 8 1 0-1 0等效应力/P a2.9 8 5 1 063.5 3 4Y轴法向应力/P a9.4 1 2 1 05-3.2 7 8 1 06X轴法向应力/P a1.2 4 1 1 06-5.5 7 6 1 05总变形/m1.8 9 4 1 0-304 结果分析4.1 闸墩变形根据表3可知,闸墩结构最大变形位移为1.8 9 4 m m,发生在中孔出口右侧闸墩弧形段顶部,闸墩整体变形比较小,根据中孔结构布置图,右侧闸墩结构体型比较大,右侧闸墩的厚度在62 2 m之间,水压力作用下,右侧闸墩的应变在8.6 1 0-5 3.1 5 1 0-4之间,闸墩右侧闸墩的变形对结构稳定没有影响。4.2 应力分析中孔闸墩采用C 3 0混凝土,混凝土自身抗拉强度设计值为1.4 3 M P a,根据有限元计算结果显示,闸墩沿上下游向(X轴向)最大拉应力为1.2 4 1 1 06 P a,发生在闸墩与坝体交接处,闸墩沿垂直向(Y轴向)最大拉应力为9.4 1 21 05 P a,发生在闸墩与底板交接处,拉应力均小于混凝土自身抗拉设计强度,不会使闸墩产生裂缝。闸墩可按应力进行配筋,根据有限元计算结果,选取闸墩上拉应力较大的断面进行配筋计算,中孔左右两侧闸墩配筋断面应力分布如图1 0图1 1所示,其中拉应力为正,压应力为负。图1 0 左侧闸墩配筋断面的应力分布示意图1 1 右侧闸墩配筋断面的应力分布示意按应力配筋的配筋公式为:AS=Tfy(1)式中:As 钢筋截面积;T 由钢筋承担的拉应力设计值;fy 钢筋抗拉强度设计值;5 结语利用水工模型试验,获得泄洪条件下,高速水流对闸墩结构作用荷载的分布,经过简化处理后,结合有限单元法,开展闸墩数值仿真分析,成功解决了有压泄水孔出口闸墩应力变形计算问题;根据有限元应力变形成果,指导结构配筋设计,闸墩结构设计满足072 0 2 3年8月 第8期石 磊,等:基于模型试验的水电站闸墩结构有限元分析N o.8 A u g.2 0 2 3设计要求。文中提出的高速水流下异形闸墩结构应力及变形分析方法,对以后开展国内外类似项目提供参考依据。参考文献:1 贡力,杨腾腾,靳春玲,等.水空气耦合介质中冰载荷对闸墩的撞击影响研究J/O L.工程力学,2 0 2 2-1 0-2 7.2 李守义,吕汶蔚.河床式水电站厂房结构流固耦合振动特性研究J.水资源与水工程学报,2 0 1 5,2 6(3):2 0 5-2 0 9.3 吴小龙.基于A N S Y S计算的苏区新四孔水闸墩流固耦合下动力响应特征分析研究J.广东水利水电,2 0 2 1(2):5 2-5 7,6 9.4 于程一,唐亮,凌贤长,等.考虑流固耦合效应的辽宁葠窝水库溢流坝段抗震性能分析J.防灾减灾工程学报,2 0 1 4,3 4(1):2 0-2 7.5 毛小魏,臧振涛,陈振华.新金清闸隐患分析及保护性除险加固J.浙江水利科技,2 0 2 3(2):7 0-7 3.6 张艺莹.基于A N S Y S预应力闸墩的流激振动分析和减振措施研究D.郑州:华北水利水电大学,2 0 1 9.7 王毅,彭育,王建新.白鹤滩拱坝溢流表孔结构设计及三维有限元静动力分析J.大坝与安全,2 0 2 1,1 2 5(3):1 6-2 1.8 张敏,周理想,张策.某弧形闸门闸墩三维有限元应力应变分析J.广东水利水电,2 0 1 5(7):4 2-4 7.9 于正洋,苏静波,黄绍磊等.基于三维有限元的异型底板水闸整体稳定性分析 J.河南科学,2 0 2 2,4 0(2):1 9 2-1 9 9.1 0 谭显文.某电站底孔预应力闸墩三维有限元计算J.东北水利水电,2 0 2 2,4 0(4):1-3,2 3,7 1.1 1 童亿力,孙俊豪,邬林锋.不同柱帽布置形式的板柱节点抗冲切性能有限元分析J.水利规划与设计,2 0 2 2(9):1 2 2-1 2 6.1 2 吴龙,司东东,杨雪枫.某泄洪闸坝不同工况下三维有限元应力、稳定分析J.广东水利水电,2 0 1 8(7):2 1-2 6.1 3 涂承义,章莉,黄维,等.沙坪一级水电站泄洪闸三维有限元分析及配筋设计J.水电能源科学,2 0 2 2,4 0(5):1 8 6-1 8 9,1 8 5.1 4 黄涛,程鹏.溢流表孔闸墩结构计算J.水利规划与设计,2 0 1 8(1 2):1 9 2-1 9 8.1 5 阳晃林,张鹏.飞来峡水利枢纽溢流坝应力三维有限元分析J.广东水利水电,2 0 1 5(8):7-1 0.(本文责任编辑 马克俊)F i n i t e E l e m e n t A n a l y s i s o f P i e r S t r u c t u r e o f H y d r o p o w e r S t a t i o n B a s e d o n M o d e l T e s tS H I L e i1,2,Z HOU Z h e n g1,2,L I U C h e n g m a o1,2(1.C h a n g j i a n g I n s t i t u t e o f S u r v e y,P l a n n i n g,D e s i g n a n d R e s e a r c h,W u h a n 4 3 0 0 1 0,C h i n a;2.N a t i o n a l D a m S a f e t y R e s e a r c h C e n t e r,W u h a n 4 3 0 0 1 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e d i f f i c u l t y o f t h r e e-d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n o f g a t e p i e r f o r g r a v i t y d a m b o d y o u t l e t i s t o a c c u r a t e l y q u a n t i f y t h e l o a d o f h i g h-s p e e d w a t e r f l o w o n t h e p i e r s t r u c t u r e.I n t h i s p a p e r,a s i n g l e h y d r a u l i c m o d e l t e s t w a s c a r r i e d o u t f o r t h e s t r u c t u r e o f t h e s p e c i a l-s h a p e d p i e r i n a h y d r o p o w e r s t a t i o n,a n d t h e d i s t r i b u t i o n r e s u l t s o f t h e w a t e r s u r f a c e p r o f i l e a n d t h e t i m e-a v e r a g e d p r e s s u r e o f t h e p i e r u n d e r d i f f e r e n t d i s c h a r g e c o n d i t i o n s w e r e o b t a i n e d.A f t e r a n a l y z i n g t h e t e s t r e s u l t s,t h e f i n i t e e l e m e n t n u m e r i c a l s i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n w a s c a r r i e d o u t f o r t h e g a t e p i e r a c c o r d i n g t o t h e t e s t r e s u l t s,a n d t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s o f t h e s t r e s s a n d d e f o r m a t i o n o f t h e g a t e p i e r w e r e o b t a i n e d,w h i c h s o l v e d t h e c a l c u l a t i o n p r o b l e m o f t h e s t r e s s a n d d e f o r m a t i o n o f t h e s p e c i a l-s h a p e d g a t e p i e r s t r u c t u r e u n d e r t h e c o n d i t i o n o f h i g h-s p e e d w a t e r f l o w.T h e a n a l y s i s m e t h o d p r o p o s e d i n t h i s p a p e r h a s p r a c t i c a l v a l u e i n e n g i n e e r i n g d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n,a n d p r o v i d e s r e f e r e n c e b a s i s f o r s i m i l a r p r o j e c t s.K e y w o r d s:h y d r o p o w e r s t a t i o n;g a t e p i e r;f i n i t e e l e m e n t;h y d r a u l i c m o d e l t e s t172 0 2 3年8月 第8期广东水利水电N o.8 A u g.2 0 2 3