水电站厂坝连接形式有限元分析.docx

Vol.25No.3Sep.2008第25卷第3期华中科技大学学报(城市科学版)

Vol.25No.3

Sep.2008

2008年9月J.ofHUST.(UrbanScienceEdition)

水电站厂坝连接形式有限元分析

牛志国1,王爱林2,石现春3

(1.南京水利科学研究院材料结构研究所，江苏南京210024

2.中国水电顾问集团华东勘测设计院，浙江杭州310014;3.菏泽市水利勘测设计院，山东菏泽274000)

摘要：本文结合某水电站的工程实际，用空间有限元法研究了不同厂坝连接方式对坝体和厂房的抗骨稳定、应力及变形的影响；研究结果表明，考虑混凝土重力坝与坝后式厂房的相互作用后，可以提高大坝抗滑稳定性，改善坝体应力状态，并能减小由于下游尾水过高引起厂房向上游的变形。这些研究为水电站的合理结构设计提供了可靠依据。

关键词：水电站厂房；厂坝连接；平缝灌浆；抗滑稳定

中图分类号：TU271.1文献标识码：A文章编号：1672-7037(2008)03-0238-03

坝后式厂房采用厂坝连接的方式，可提高坝体和厂房的整体稳定性，减少工程量、降低工程造价，使厂坝枢纽布置更加合理。一般坝后式厂房，厂坝间多设温度缝或沉降缝，使厂房和坝体相互独立，在压力钢管过缝处设伸缩节，以适应缝两侧厂坝结构的相对变位，改善压力钢管的受力状态。当厂房顶溢流、厂前挑流或下游尾水高于发电机层很多时，厂房本身稳定性不够，采用厂坝联合作用可提高厂房的稳定性，改善厂房结构及其基础的应力状态等。如乌江渡、安康、石泉等水电站。

随着我国水电事业的不断发展，一方面有的坝址地质条件非常复杂，使分缝的厂坝结构不能简单地按独立结构分析，如不采用合理的厂坝连接形式，厂坝结构的稳定性将不能达到要求，从而加大混凝土方量；另一方面取消厂坝间伸缩节是过缝管道结构形式的一个主要发展方向，合理的厂坝连接形式是取消伸缩节的必要条件1]。

本文结合某水电站，采用三维有限元分析方法，对其进行了静力及运行期温度应力的计算分析2,从稳定、坝体和厂房的位移、应力变化等角度论证厂坝之间的合理连接形式，为类似工程提供有益参考。

1工程概况

某水电站为怒江中下游河段规划梯级开发的

骨干工程之一，工程坝址位于怒江下游云南省保山市潞江乡芒市寨上游1.5～3.7km处。

表1荷载组合

工况

上游水位

下游水位

淤沙压力

设备自重

温升温降

1

732

677

√

√

la

732

677

√

√

√

1b

732

677

√

√

2

733

698

√

√

3

735

700

√

√

本电站上游为石头寨水电站，下邻岩桑树水电站，正常蓄水位732.0m,死水位727.0m,总库容3.015亿m3(正常蓄水位以下),装机容量为1100MW。工程以发电为主，兼顾灌溉等综合效益。

2有限元计算

选取4#机组段及相应的11#、12#坝段为研究对象，模型共21424个结点，18589个单元。针对以下四种厂坝连接形式进行方案对比：

方案一：厂坝分离，厂坝间设置永久结构缝；方案二：厂坝整体连接；

方案三：厂坝平缝低连接，在668.2m高程以下并缝，以上设置永久结构缝；

方案四：厂坝平缝高连接，在681.8m高程以下并缝，以上设置永久结构缝。

收稿日期：2008-5-20

作者简介：牛志国(1979-),男，山东武城人，博士，研究方向为水工结构数值分析，niuzhiguo@yahoo.cn。

第3期牛志国等：水电站厂坝连接形式有限元分析·239·

图1坝段剖面图

图2厂坝有限元模型

2.1抗滑稳定分析

采用有限元法对模型在各组荷载组合下的不同厂坝连接型式进行结构计算，获得滑动面上各单元的法向应力和沿滑动方向上的切向应力，再根据不同单元的抗剪强度指标按式(1)计算安全系数。表2中列出了按表1中各荷载组合计算得到坝体抗滑稳定安全系数。

(1)

表2抗滑稳定安全系数

工况

方案一

方案二

方案三

方案四

1

3.136

5.881

5.882

5.881

2

3.068

6.422

6.423

6.423

3

2.985

6.290

6.291

6.290

由表2可知：3种工况下方案二、三、四抗滑稳定安全系数都大于3,都满足混凝土重力坝设计规范要求，仅从稳定的角度来看，安全系数的数值普遍比较大，安全储备高，这四种方案都是可行的，区别不是很大。

2.2厂房位移应