山区小型水电站结构一体化模式分析论文
摘要：
为研究内河小型电站结构整体的力学特性，以实际工程为依托进行了三维数值模型分析。分析发现山区电站上下各部分均为一个整体结构，当将结构作为一个整体进行三维数值分析时，会得到某些局部位置出现引力集中或塑形变形;对于山区电站整体分析模型的最不利工况为校核洪水工况;结构关键的控制位置为吊物孔与进人孔附近的二期混凝土，以及闸门与坝体的接触部位。
关键字：山区小型水电站：数值分析
随着三峡库区航道等级的提高和西部经济的快速发展，以及内陆地区对外经贸的快速发展，山区河流小型水电站的设计日益受到重视。这类电站上下各部分均为一个整体结构，当前对这类结构分析主要是在简化的基础上以平面或空间体系来计算，这种分析方法不能考虑结构的复杂三维结构和受力特性。为此需要基于三维数值分析总结出一套相对完整的小型水电站计算实用技术体系，以适应当前地方经济的可持续发展。
本文基于大型通用软件的二次开发，以实际工程为例，考虑水电站的三维结构体系和复杂荷载工况，将分析得到的结果与现场测试数据对比分析，验证数值分析的可靠性;随后通过大量变动参数的'数值分析，探讨水电站整体模型力学特性。
一、工程概况。
1、地形地貌
。坝址属喀斯特—侵蚀中低山地貌单元的宽谷斜坡地形。河段上、下游河谷都很开阔，仅在坝址一带约120m河段河谷相对较窄。坝址左岸岸坡为顺向边坡，坡面较平顺，在高程260——270m坡度190左右，270m高程以上地形坡度约270。其中兄弟庙喀斯特洞(KW2)出口位于左岸两坝线下游，泉水出口高程255m;电站阶地位于左岸两坝线上游，阶面高程260——263m。右岸属典型的基座阶地(由基岩组成，上覆少量冲积物)，阶坡坡度36——440，阶面高程262—280m，总体上游较高，向下游渐低，阶面宽约250m。河床宽约127——140m，主流偏向左侧，右侧河漫滩发育，河底高程248.10——249.OOm。河谷剖面形态为宽缓的“U”型，在正常蓄水位266m高程河谷宽约216——260m。
2、地层岩性。
坝址出露地层由老到新依次为下奥陶统大湾组( Old)、中奥陶统十字铺、宝塔组(02s+h)、上奥陶统临湘组( 03l)和五峰组(03w)、志留系下统龙马溪组第一段(Sllnl)，在河床、阶地及斜坡地带堆积有第四系冲积层( Q4al)、第四系残坡积层(Q4el+dl)。
3、地质构造。
坝址位于郁山背斜北西翼或者说普子复式向斜南东翼之次级褶皱——清水溪向斜南东翼。此外青冈湾揉皱背斜自郁山正断层经清平乡、坝址南东，倾没于普子河口一带，轴线长约3km，轴向N700E。坝址位于该揉皱褶皱北西翼，岩层走向Nl0.W——Nl0.E，倾向近正西，岩层倾角160——25。而坝址上游岩层产状N400EYNWL160。
在左岸，郁山背斜被北西——南东向断层Fl(郁llJ正断层)、F2(青龙咀正断层)切割。其中，Fl距坝址最短距离约1.4km，F2距坝址最短距离约400m，对坝址无直接影响。
在右岸，新发现断层F20斜切右坝肩，产状为N39。ENW L720，断距约15m，断带宽度2.9——4.7m，延伸长度大于1000m。钻孔CZK17和CZK35分别在深度34.2——41.8m、29.8——41.8m揭露其断层角砾岩。
4、水文地质。
坝址右岸地层均为志留系下统龙马溪组第一段( Sllnl)的砂质页岩及粉砂岩，左岸为奥陶系中，卜.统灰岩、瘤状灰岩及泥质灰岩，水文地质条件较复杂。按地下水赋存条件，坝址地下水可分为第四系孔隙水、碎屑岩基岩裂隙水及喀斯特水三类。
5、不良地质现象。
坝址无滑坡、危岩、泥石流等不良地质现象存在。
6、风化与卸荷。
坝址页岩、粉砂岩及板岩表层强风化带厚度0.5——4.5m，灰岩表层无强风化层;弱风化层底界埋深在25——40m之间。坝址水平卸荷作用不明显。
7、岩石物理力学性质。
坝址岩石按抗压强度划分，砂质页岩、粉砂岩、炭质板岩及泥质灰岩、灰岩均属中硬岩，岩体抗压、抗剪及抗变形性能较好。
根据地勘：岩土层容许承载力建议为：粘土：F-160kPa;强风化石灰岩(泥质石灰岩)：F-300kPa;中等风化石灰岩：f=1850kPa;中等风化泥质石灰岩：F-1860kPa。素填土主要物理力学参数建议值为：天然状态重度1 =21.50kN/m3;饱和状态重度1=22.50kN/m3;粘土主要物理力学参数为：饱和状态：重度-y =19.55kN/m3;饱和抗剪强度：内聚力C=15.83kPa，内摩擦角巾=9.15度;天然状态：重度，=18.76kN/m3;抗剪强度：C=30.13kPa，书=15.65度。
推测滑动面的抗剪强度为：下河道：天然c=34.65kPa，书=18.00。;饱和c=18.20kPa，书=10.52。挡墙：天然c=34.65kPa，4)=18.000;饱和c=30.OOkPa，击=16.500。
二、有限元模型。
本次计算断面结构如图1所示，根据实际工程需要，数值计算采用空间三维实体力学模型。有限元分析的参数与地勘建议值相同。
有限元计算主要进行了三种工况的计算，分别为：施工工况，运行工况，检修工况。除结构自重外，计算中考虑的外荷载有：
①土压力(恒载)。
②静水压力(活载)。
③底板浮托力(活载)。
④底板渗透水压力。
⑤机器竖向荷载(自重)。
⑥机器纵向荷载(作用在人字门的静水压力)。
⑦起闭机房各柱竖向荷载。
三、有限元结果分析。
(一)地基应力分析。
结构地基最不利工况下的应力基本上为压应力，除局部角点外，压应力值一般在1.4MPa以内，控制工况为完建工况。结构拉应力主要出现在：
①底板靠边墩一侧的顶部，门槛顶部最大拉应力为1.15MPa，控制工况为低水运行工况，闸门段最大拉应力为0.95 MPa，人字门槛顶部最大应力1.05 MPa，门后段最大拉应力为1.14MPa，控制工况为低水运行工况。
②输水廊道进出口的顶部和底部，进口段最大拉应力1.21MPa，出口段最大拉应力1.25 MPa。
③边墩输水廊道以上部分最大应力出现在各个奉箱底部.
(二)校核洪水工况。
两孔流道充满水，进出口闸门全开，防洪墙外达到校核洪水位，机组停止运行，上游水位比下游高4m。塑性区：翅性区出现在吊物孑L与进入孔的隔墙上(属于二期混凝土)，深度约0.5米。其他区域无塑性区出现。拉应力分布：在吊物孑L与与进入孔的隔墙下端出现拉应力集中，深度约0.5米拉应力为l.l——1.83MPa。
压应力分布：在吊物孔与进人孔的隔墙下端压应力集中，最大压应力值为7.53 MPa。地基岩体应力分布均匀，且小于容许应力。
(三)施工度汛工况。
两孔流道均无水，进出口闸门关闭，机组段二期混凝土未浇注，两台机组均未安装，防洪墙外达到施工度汛水位。上游水位比下游水位高2.75。应力集中主要出现在闸门上，其他区域拉应力区小于0.36MPa，压应力小于1.39MPa。在闸门与混凝土的接触处有局部应力集中。
(四)运行+检修工况。
l#机运行，2#机检修，l#机流道充满水，2#机流道无水，两台机组均安装，机组段=期混凝土浇注完毕，防洪墙外达到正常发电水位。上游水位比下游高12m。拉应力分布：应力集中主要出现在闸门上，其他区域拉应力小于0.36MPa，压应力小于1.19MPa。在闸门与混凝土的接触处有局部压应力集中。
(五)设计工况(正常运行)。
两台机组发电，两孔流道充满水，进出口闸门全开，防洪墙外达到正常发电水位。上游水位比下游水位高Sm。塑性区：塑性区出现在吊物孑L与进人孔的隔墙上(属于二期混凝土)，深度约0.5米。其他区域无塑性区出现。拉应力分布：在吊物孔与进人孔的隔墙下端出现拉应力集中，深度约0.5米拉应力为0.83-1.80MPa。压应力分布：在吊物孑L与进人孔的隔墙下端压应力集中，最大压应力值为6.5MPa。地基岩体应力分布均匀。
四、结论。
通过以上分析，得到主要结论如下：
(一)发现山区电站上下各部分均为一个整体结构，当将结构作为一个整体进行三维数值分析时，会得到某些局部位置出现引力集中或塑形变形，这在这类电站结构的设计和计算中要予以充分注意。.
(二)山区电站整体分析模型的最不利工况为校核洪水工况。
(三)对于这类电站关键的控制位置为吊物孔与进人孔附近的二期混凝土，以及闸门与坝体的接触部位，这些地方在实际设计时应予以高度重视。
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