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水电站出线竖井结构外水压力计算分析

文档名称:水电站出线竖井结构外水压力计算分析
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上传者:hzdq
添加时间:2019/09/01
内容摘要:
2018年第5期
东北朿利水电
规划设计
文查编号110020624(2B)05-001-04
水电站出线竖井结构外水压力计算分析
张晓听,陈鹏,谷金操,胡正凯
中国电建集团华东勘测设计研充院有限公司,浙江杬州31122
[摘要]文中以乌干达 Karuna水电站出线竖井为例,建立三维有限元核型,对不同边界条件模拟情况下的出
线竖井结构受外水作用下的受カ进行计算分析。结果表明,竖井结构在受外水作用时,变形不大,衬砌结构是
安全的。采用仅受压不受拉的杆单元,可有效地模拟竖井衬砌受外水后国岩与衬砌脱开情况,计算果偏于
保守,对结构设计有利
关键词] Karuma水电站;出线竖井;外水压カ;边界条件;有限元法
[中图分类号]TV731
[文献标识码]B
水电是重要的可再生能源,目前我国水电装段衬砌厚度0.5m。内部楼板及楼梯为预制结构。
机总量近3.0亿kW?h,居世界第一,近年来越来越
乌干达 Karuma水电站为国外程,外国监理
多的中资水电企业走向国际市场,国外结构工程工程师对结构设计要求更偏于保守,对结构设计
师、监理工程师在相关结构设计理念上与国内设提出必须考虑外水作用和围岩与衬彻脱开的要
计人员存在不少分岐。在国际水电工程设计中,求,并只认同有限元软件计算结果。国内关于水
采用国外结构、监理工程师所认同的手段,解决工电站出线竖井混凝士结构受外水压作用的分析研
程实际问题是极其重要的,有时候甚至可以有效究极少,并目国内采用有限元对隧洞衬砌结构受
地推进项目的实施。
外水压作用进行计算时,一般考虑围岩与衬砌共
竖井式洞室边界条件模拟是相关数值计算中节点或围岩与衬砌之间设置“垫层”单元",而国
很重要的部分,文中以乌干达 Karuma水电站出线外监理工程师不认同这样的处理方式。为响应国
竖井结构为研究对象,采用 ANSYS有限元计算钦外监理对出线竖井结构设计的要求,并复核Karu
件对不同边界条件模拟情况下的出线竖井结构,ma出线竖井対砌结构的安全,对不同边界条件模
受外水作用下的受力変形进行计算分析,并总结拟情況下的出线竖井结构受外水作用下的受力变
相关经验,为类似工程设计提供相应的参考意见。形进行计算分析。
1工程概况及设计背景
2有限元模型边界模拟
乌干达卡鲁玛水电站( Karuma Hydropower
在地下结构数值计算分析中,结构边界条件
乌干达境内西北部卡鲁玛村附近,距对计算分析结果影向明显;对计算分析的准确性
离首都坎帕拉270km,是乌干达在建的最大水も而言,合理的边界条件是重要的前提。目前有限
站。该电站总装机为600MW,单机容量为元计算分析中,地下结构边界模拟主要有:围岩与
100MW,共6台机组,年平均发电量约43.09亿结构共节点模拟,结构边界节点添加弾簧单元,结
kW?h,电站采用的开发方式为首部开发,整个枢构与围岩之间设置接触单元。
组有重力式混凝十拦河大坝、引水系统和地下发
围与结构共节点模拟,即认为外部围岩与
电厂房组成。出线竖井结构地面高程以下共计结构是一体的,联合受力,相互之间变形协调。该
109.95m,上部38m段衬彻厚度1.0m,下帝部72m方法对于联合受力体系是洋确的;但对于结构与
万方数据
规划设讠
东北水利水电
2018年第5别
1058.00
变位;K为围若弹性抗力系数。围若视为内半
为n,外半径为无穷大,受内压P作用的厚壁圆
V类围岩
全风化下限
区化下限
筒,其径向位移=+T〃,在洞壁r=处的径
风化上段下限
ーXXXX
81秀风化下段下限
向変位为:=ErnP(式中:Eム、分别为国
岩的弹性模量、泊松比),据此可得K
将K值作为实常数赋予弹筼单元 COMBIN14。
结构与围岩之间设置接触单元,即采用非
线竖井
性接触于段较为准确的模拟结构与围岩之间的相
互作用。该方法可依据实际受力和变形情况,根
据设置的接触参数,实现结构与围岩间接触行为
图1出线竖井中心剖面图
计算分析。非线性接触作为有限元解决接触行为
的计算于段,其涉及较多参数,实际运用中需要依
据实际计算问题对接触刚度、初始间隙、接触行为
二寸
等进行针对性分析确定。
上三和边界模拟方法除了非线性接触方
法,其余两和方法都不能较准确的计算的分析结
构与围岩之间存在脱开的工況。为此,文中引入
有限元中的杆单元LINK180,LINK180是一种
(FL.1020.00~FT.1058.00段)
维有限应变单元,其可用来模拟桁架、缆索、连杆
簧等;该单元可以仅受拉、仅受压或既受拉又受
压。LINK180需要设置杆截面积,基于刚度等效
的原理,即设置的LINK180单元受压刚度与弾箦
单元 COMBIN14一致,可得到需要设置的截面
积。LINK180受压刚度K=EMI.,式中:R为同
5040
单性模量,A为杆单元截面积,L为杆单元长度
EL.948.05~EL.1020.00段)
受压刚度等效,即:K=
EAL,据
图2出线竖井平面布置图
岩之间存在脱开的工况下,刊岩仍会对结构有作比可得:A=。E、。将A值作为实常数赋予
用,与实际不符。目前国内较多学者采取设置薄层
(1+)rE
单元或折减结构詞边一定范国内的困岩弹模方式,村单元LNK180,并设置其仅受压
来进行近似模拟结构与围岩之间存在脱开工况的3计算方案及数值模型
受力,但薄层单元的厚度、弹模取值、围岩弹模折减
计算以乌干达 Karuma水电站出线竖井结构为
范围、弾模折减比例等并没有统一的结论。
对象,计算模型采用篚卡尔直角坐标系,坐标系中
结构边界节点添加弹簧单元 COMBIN14,即心位于出线竖井中心底高程EL.948.05处,模型顶
采月弹後单元等效模拟国岩对结构的性支作部取至地面高程EL.105800计算方案如下
用。结构受力后向围岩变位会受到围岩的抵抗
方案A:围若与结构共节点模拟。
也就是围岩会对结构产生被动的反作用力,该反
方案B:结构边界节点添加弾簧单元COV
作用力称为围岩抗力?。围岩的弹性抗力系数K=
BIN14+o
ma,式中:P为围若承受的内压力;z为洞壁径向
万方数据
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