水电站进水口结构分析方案比选研究

水电站进水口结构分析方案比选研究
摘要：水电站进水口是输水发电的首要设施，直接关系到电站的安全运行。

由于受力状态及形状的复杂性，采用常规的结构与材料力学理论无法准确地进行计算。

所以，采用有限元法对水电站进水口结构进行研究是非常必要的。

基于实体单元的数值仿真难以体现其承载结构的弯、剪特性，且受动力源的影响，使得计算结果具有较大的不确定性。

为此，提出将射流法与实体法相结合，对水电站进水口结构进行有限元法计算。

关键词：水电站；进水口；结构分析
引言
在自然河流、湖泊、人工水库、控制塘等的给水、排水工程中，往往会在其给水、排水、发电和淤积等方面，修建入水建筑物，以满足其泄洪、排水、发电和淤积的需求。

水电站进水口结构，其抽水形态、结构、受力及边界条件十分复杂。

有限单元法是一种行之有效的工程设计方法。

所以，采用有限元方法对水电站进水口结构进行分析，在理论上和实践上都有很大的意义。

1、单一实体单元的水电站进水口有限元结构分析
1.1水电站进水口三维有限元模型
第一，单元选型。

选择三维实体单元SOLID45作为研究对象，利用有限元方法对水电站进水口结构进行研究。

SOLID45元是一个六面体单元，适合用来模拟等向异性材料力学问题。

每一个单元由8个结点组成，每一个结点具有3个移动自由度。

对于大变形，大延伸，塑性，屈服等问题，可采用SOLID45元素进行分析。

第二，建立材料本构关系。

提出适用于水力作用下的吸水混凝土的线性弹性本构模型，并将其应用于水力作用下的围岩。

布拉格模型采用D-P屈服条件，将莫尔-库仑屈服条件的一种近似形式引入到 VonMisse公式中，以修正 VonMisse 公式。

1.2水电站进水口静力计算成果分析
第一，完建工况。

在已完成的情况下，进口无水压力，以自重为主。

因而，
在塔前通流端口上，进口位置以竖直方向为主，其最大值为2.445 mm。

由于后塔
的重量较大，而前架的重量较轻，因此在相同高度时，后塔的沉降比前架的沉降
要大[1]。

在重力的影响下，由于竖向位移量比较小，而后塔竖向位移量比较大，
造成了竖向位移量不均匀。

第二，正常运行状态。

与完成后的情况比较，进水孔
下游的位移量 Ux变化比较大。

随着进水压力由正常水位逐步升高，进水通道下
游出现了较低处的位移，但位移较小，最大值仅为0.502mm。

水压对进水口垂直
位移 Uz的影响并不十分显著，分布规律与竣工条件下的情况基本一致，数值稍
有改变，这说明在正常工况下，自重的影响依然很大，进水口的位移仍以垂直设
置为主，最大设置为2.331 mm。

1.3水电站进水口动力计算成果分析
第一，振型分解反应谱法。

基于单自由度反应谱及振型分解原理的多自由度
体系振动响应分析方法，将研究地震运动特征参数（自振周期、模态及阻尼）与
地震运动特征参数间的关系。

在此基础上，研究结构动力学特征引起的动态响应。

在得到各振型的地震影响之后，再将其与 SRSS法（平方和法）相结合。

第二，
动水压力施加方法。

按照《水工结构抗震设计规范》的规定，在进行地震作用分
析时，应把地震动的动水压力看作是一种附加质量，并在此基础上进行了分析。

在结构中引入附加质量时，可通过计算出结构表面上的水动压，并将其转化为与
结构表面上各点上的地震动加速度相对应的附加质量。

2、水电站进水口结构分析方案比选
2.1静力计算成果对比分析
第一，比较两种方法的位移量。

向下游输送的 Ux：方案2的数值在已经完
成的情况下稍大一些，但是方案1与方案2之间的差别不超过7%；在常规工况下，两种方案的测定结果存在着显著性差异，最大差别为18.57%。

这是因为将入水口
前方的废渣架设成了一个爆炸式的体系，使得废渣架设前、后两个位置上的水力
差异，使得废渣架设后两个位置上的水力差异，在某种程度上会对计算结果造成
影响。

第二，对压力的比较分析。

在静止状态下，由第二种方法得到的最大正负
电压在纵向连杆的下游方向比第一种方法下降30%左右，但差别仍很大。

可能的
原因如下所述。

方法1：以固体元素为模型，对全部进口进行模拟。

在对有限元
程序进行分析时，发现由于结构形式、刚度等因素的影响，在节点处会产生应力
集中[2]。

综上所述，采用第一种方法计算时，将会造成在纵梁两端的应力集中。

在第
二种方法中，将轴向力与弯矩组合起来，得到的应力值与实际值相差不大。

这样，就可以利用方法2来实现静态的计算。

2.2动力计算成果对比分析
第一，固有振动的频谱对比分析；结果表明，两种方案的一阶模态都是由挡
泥板的左、右振动引起的，但方案2的一阶模态比方案1的一阶模态低31.15%。

方法2将进水闸门前挡污栅架简化为一种由各部件轴交叉组成的梁系，对连接梁
而言，简化后的轴长大于其实际长度。

第二，位移量的比较。

由于在地震作用下，水电站进水口结构的动态位移反应主要表现在前挡墙框架上，故选择前挡墙框架
上有代表性的点位作为研究对象。

第三，应力比较。

在地震作用下，由于横梁竖
向流方向 Y向正应力大于纵梁，而纵梁梁顺向流方向 X向正应力大于横梁，故
选取横梁 Y向和纵梁 Y向梁X向最大正应力作比较研究。

第四，对钢筋的配筋
率进行比较。

地震作用下，进水口前端框架结构以竖向水向位移为主，因而进水
口前端框架结构以竖向水向变形为主，且最大应力集中在两端，这与静力作用下
的分布规律有较大差异。

在静载荷与地震载荷作用下，纵向连接梁的端部受力有很大差别。

所以，在
常规的配筋设计中，使用一种仅在纵连梁上部配筋，且仅在其上部配筋的方法是
有缺陷的。

在实际工程中，可适当增加纵连梁的宽度，并对其在静载、动态荷载
作用下的内力进行迭加，以确定配筋部位及数量。

由于连接梁在地震作用下受力不呈线形，因此，在第1种方法中，使用应力
图配筋法来确定连接梁的配筋量。

然而，许多试验证明，根据应力图进行钢筋加
固的方法往往是比较保守的，所以，采用第1种方法得到的钢筋加固值可能会偏
大。

方法2是直接利用其计算出的轴力和弯矩来进行配筋，这与现有的基于内力的配筋计算流程相一致，所以在目前阶段更易为设计者所接受，可以用来作为一种检验的手段，对工程设计有一定的参考价值。

2.3水电站进水口结构分析方案选择
第一，精力工况。

两种方法计算出的位移、电压在完全满足设计要求且在正常工作情况下是一致的。

从总体上看，两种方法所得的位移值相近，但后者的位移值较大。

由于在第1种情况下存在着可能的应力集中，所以在纵梁两端的计算电压比较大。

第2种是利用支承体系来模拟进水管道的前框，从而得到联接梁弯矩及轴向力，避免了第1种所带来的误差。

这既符合设计者关于加强筋的思想，又符合目前以切割力为基础的钢筋计算方法。

在综合考虑的基础上，采用第2种方法对水电站进水口结构进行静力计算[3]。

第二，地震情况。

方法2采用梁系对前排挡污栅架进行仿真，对前排挡污栅架的整体刚度有一定的影响。

结果表明，由方法2得到的内禀振动频率比由方法1得到的要小。

在地震作用下，方案2前方的垃圾棚架结构的动态位移响应更为显著，其变形也相对较大。

由于泥煤柱与入口前、后段之间存在着一种特殊的联接结构，因此联接结构中的梁受力呈现出一种复杂的非线性。

方法2所用的轴力与弯矩结合所得到的应力只是一个线性值，而方法1所得到的应力则更符合实际情况。

方法1在节点梁配筋计算中，必须采用应力模型，但这种模型一般比较保守。

因此，可用作工艺设计的试验装置。

结语
在静力及地震作用下，两种方法的计算结果具有一致的规律性。

在静力状态下，两种方法得到的位移值相近；结果表明，进口前后的不均匀沉陷使纵向联结梁端向下游方向受拉应力增大；通过实体仿真，可使节点端部出现较多的应力集中，使节点的计算值增大；采用梁系模型进行前桥框架结构的仿真，能够更好地反映前桥框架的变形、受力特征，能够直接得到梁系弯矩、剪切力，避免因节点应力集中而产生的误差。

参考文献：
[1] 曲卓杰,吴胜兴,徐强,等. 龙滩水电站导流洞进水口中墩结构空间非线性有限元分析[J]. 水力发电,2004,30(3):29-31.
[2] 鲁毅,李艺. 长河坝水电站放空洞进水口结构三维有限元分析[J]. 四川水力发电,2016,35(1):32-34.
[3] 云明香,李德华. 关于水电站的进水口结构方案比选分析及应用[J]. 建筑与文化,2012(8).。