中庄水库取水塔三维有限元静动力分析计算朱东

中庄水库取水塔三维有限元静动力分析计算朱东

朱东

宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司

摘要：中庄水库取水塔部分嵌固在岩体内，塔体截面多处突变，体型结构、边界条件和受力情况复杂，所处区域地震烈度高，对其进行三维有限元静动力分析，根据计算结果，对工程设计提出修正，从而达到优化设计的目的。

关键词：三维有限元静动力，水力计算，模型试验，流量，泄流曲线

1前言

中庄水库是宁夏中南部饮水安全水源工程的主调节水库，对于该项目能否发挥良好的供水效益有重要的作用。中庄水库取水塔承担输水和水库泄空任务，水塔部分嵌固在岩体内，塔体截面多处突变，体型结构、边界条件和受力情况复杂，且所处区域地震烈度较高，因此有必要对其进行三维有限元静动力分析。

2工程地质

取水塔布置左坝肩上游冲沟内，冲沟呈“U”型，干涸。沟底以上E3q泥岩出露。场地沟底表层分布第四系全新统冲洪积（Q42al）壤土，下部分布第三系渐新统清水营组（E3q）泥岩、砾岩。壤土（Q42al）：呈水平层理，可塑状态，分布于沟底表部，厚度为1.2~2.0m。泥岩、砾岩（E3q）：分布在场地下部，本次勘察未揭穿，高程1816.5m以上为青灰色或者灰褐色泥岩夹泥质胶结的砾岩，胶结程度较差，层状构造。强风化厚度约1.5~3.0m，中等风化厚度3~4m。其物理力学指标：压缩系数0.10MPa-1，压缩模量17.7MPa，凝聚力0.2MPa，内摩擦角30度，自由膨胀率45.5%，允许承载力强风化为250kPa，中等风化为300kPa，微风化350kPa。下部E3q泥岩、砾岩可以作为持力层，抗剪断强度指标为f'=0.5，抗剪断凝聚力c'=0.1。经现场静荷载试验，微风化泥岩加载至2000kPa时，基础未破坏，设计地基承载力特征值取1000kPa。

根据《中国地震动参数区划图》和地震安全性评价报告，工作区地震基本烈度Ⅷ度，属抗震不利地段。中庄水库50年设计基准期超越概率10%的地震动峰值加速度为0.305g，地震动反应谱特征周期为0.49s。

3工程布置

取水塔布置在水库左岸，采用“凸”型结构，基础底高程1827.80m，基础顶高程1831.00m，底板厚3.2m，塔顶高程1877.10m，塔高49.30m，由进水塔室和汇流室两部分组成。进水闸室净宽度2.2m，长7.9m，净高度46.1m，采用C30钢筋砼浇筑。取水塔共分高、中、低三个进水口，沿闸室中心线采用错台式布置，分别设检修平板钢闸门控制。汇流室接进水闸室，净腔尺寸（长×宽）9m×8m，净高46.1m，侧墙厚1.5～1.0m。

考虑本地区地震烈度较高，为保证地震状况下塔室稳定，进水塔部分嵌固在岩体内，嵌入岩体顶高程1849.00m，嵌岩深度21.2m。

4计算方法

取水塔体型结构多变化，嵌固于岩体中与周边岩体接触，边界条件复杂，因此其受力情况如采用简化分析，势必难以反映基岩变形、塔体结构复杂且截面突变、塔体刚度随高度变化等因素对其取水塔力学性能的影响，难以准确反映塔体各部位的应力状态，因此利用三维有限元法对取水塔进行三维结构分析是有必要的。

根据地质资料和结构特点确定有限元计算模型，取水塔周围岩体稳定，不计固结灌浆和锚杆的局部加强作用，将其作为安全储备。首先确定带基础塔的几何模型，然后划分网格，加载并求解，最终得出带基础塔的静力计算结果。地基和水塔塔体采用三维实体单元，塔顶土建部分采用三维面单元和梁单元，塔体与地基之间采用接触相互作用进行模拟，基础边和底部按固定边界考虑。取水塔基础位于微风化泥质砂岩中。本文采用Abaqus软件进行有限元模拟分析计算。计算模型及网格划分如下图1。

建立取水塔的三维模型，综合考虑自重、水压力、浮托力、风荷载、浪压力、活荷载、地震作用等荷载，对取水塔及地基的静动力稳定性进行了详细分析，主要内容包括：

（1）对带基础的取水塔进行静力分析，分析塔体及其塔顶土建部分在正常蓄水位、正常蓄水位下检修、正常蓄水位下发生地震、完建四种不同工况下的位移及应力分布情况。

（2）针对取水塔最新设计方案对带基础的取水塔进行动力分析，得出取水塔的自振频率。采用振型分解反应谱法求取取水塔结构的动力响应，根据求得的动应力和其它静载作用时的应力成果对取水塔进行结构应力分析。

（3）取水塔风振分析，根据中庄区域相关气象资料，进行取水塔脉动风作用下的频域分析。

（4）对取水塔的整体抗滑稳定、抗浮稳定、抗倾覆稳定以及塔底地基的承载力进行验算，分别对正常蓄水位、正常蓄水位下检修、正常蓄水位下发生地震、完建这四种工况来进行分析。

5计算成果及结论

通过对取水塔在不同荷载工况下的位移受力特性及稳定性分析计算，得出以下结论和建议：

图1取水塔有限元计算模型及网格划分图

（1）在正常蓄水位、检修、地震工况下：塔及其顶部土建部分最大位移为顺水流方向位移，最大值2.95cm~6.66cm。完建工况最大位移出现在竖直方向，最大为0.25cm，出现在土建部分顶部，这一下沉值相对其他工况偏小，主要是完建工况尚未通水地面不承受水压力造成的；同时，水平顺河向位移为0.08cm，相对其他工况偏小，这主要是由于完建工况不存在水压力和浪压力，而塔体重心又偏向上游造成的。

（2）塔体在正常蓄水位、完建、地震工况拉应力最大值大于C30混凝土抗拉强度，但经分析可知除塔顶平台外均属于应力集中现象，除去塔顶平台及应力集中外塔体其他区域拉应力均低于抗拉强度设计值，满足抗拉强度要求。在检修工况，塔体下游墙在截面突变段以上部位存在一定范围拉应力超限，这些区域应力为1.43MPa～2.50MPa，需要加强配筋。四种工况下，除去应力集中现象，塔体压应力均小于C30抗压混凝土强度设计值14.3MPa，满足抗压强度要求。

（3）四种工况下塔顶土建部分在一层顶板及横梁、二层顶板、三层柱底等区域超过了C30混凝土的抗拉强度，需要加强配筋。除去应力集中现象，塔顶土建压应力均小于C30抗压混凝土强度设计值，满足抗压强度要求。

（4）分别对完建、正常蓄水位、正常蓄水位检修、正常蓄水位地震四种工况进行整体稳定性校核。各工况下的取水塔的整体抗滑稳定性较高，均满足规范要求，地震工况下，水平地震力使产生较大的滑动力，塔体的整体抗滑稳定性安全性，但仍在规范要求之内。取水塔在计算工况下的抗浮、抗倾覆也分别满足规范要求。建基面在地震工况、正常蓄水位、正常蓄水位下检修最大压应力位于下游右侧边缘角点处，完建工况基底最大压应力出现在上游左侧边缘角点处。计算工况下最大压应力为252~528kPa，基底应力满足要求。正常蓄水位、检修、完建三种工况基础底面无拉应力。地震工况在上游角点处出现拉应力，拉应力最大为69.29kPa，小于规范设计值100kPa，满足规范要求。

（5）根据中庄区域相关气象资料，对取水塔进行三次选定强风风速和五十年一遇设计风速作用下的频率特征研究。结果表明，取水塔在3次强风风速和50年一遇最大设计风速下不会发生共振。

（6）在计算中发现较小重力偏心即会引起很大的力矩，因此应尽量使得取水塔结构沿x轴、z轴分别对称，使得基础底面形心与上部竖向永久荷载重心重合，以减少偏心产生的弯矩。

6结束语

目前，中庄水库取水塔已投入运行，从实际效果看，塔体结构未发现异常，沉降量在计算范围内。

参考文献

（1）水工建筑物荷载设计规范DL5077-1997

（2）水工建筑物抗震设计规范DL5073-2000

（3）水电站进水口设计规范DLT5398-2007

（4）建筑结构荷载规范GB50009-2001

（5）建筑地基基础设计规范》GB50007－2011