进水塔底板抗震优化设计与有限元数值模拟

□吴建兴 □韩俊岭

（1河南天禹水利工程建设有限责任公司 2河南五建建设集团有限公司）

0 引言

进水塔是发电引水和泄洪系统中的咽喉性水工建筑物。强震区高进水塔的结构性能与安全关系到电站正常运行，甚至波及整个大坝与枢纽的安危，也是保障电站效益的关键性建筑物[1]。目前，我国西南强地震高发区域正规划、设计或开工建设一批高坝大库型水电工程项目，研究强地震激励作用下高进水塔的力学行为和结构性能、选择合理高效的数值分析方法、建立结构安全评价准则已经成为这类水工建筑物设计中至关重要的关键技术[2]。

进水塔在引水、泄洪系统投资中占据相当大的一部分，在确保结构安全的前提下确定合理的体型结构，对有效降低建设费用、控制电站投资成本具有重大的经济价值[3]。

1 底板优化有限元模型

本部分比较研究共包含4个模型，塔体底板厚度度分别为2 m、3 m、4 m、6.67 m。

2 数值计算与分析

各种模型下，进水塔结构的位移总趋势基本以流道中心线呈对称分布。4个模型塔顶各向位移相差最大值为0.08 mm，出现在横河向塔顶位移。可见底板厚度的变化对进水塔结构塔体位移影响很小，差别可忽略不计。

进水塔底板主要受到上部塔身、拦污栅框架自重、水荷载、地震激励等载荷的联合作用。各计算模型下的各方向上的拉应力峰值见表1。

表1 进水塔底板混凝土应力分量峰值表（MPa）

顺河向拉应力σx：当水荷载作用于塔身时，一方面塔身自重使塔体向上游倾，另一方面水荷载推力使塔体向下游偏移，从而在塔体上游立面与底板的交角处（底板表层）、底板底面靠上游端部出现该方向上较大的拉应力。从计算结果来看，该方向上的拉应力峰值在模型1达到最大值5.22 MPa，在模型2达到最小值2.58 MPa，除模型1应力较大区域影响范围稍大外，其余三个模型应力峰值区域基本一致。底板厚度太薄高应力区域可能会贯穿底板延伸到基岩，导致进水塔结构的破坏，底板厚度太厚不仅增加工程成本，而且对降低拉应力峰值及其影响区域效果并不明显，甚至会导致拉应力峰值的增加，如模型3较模型2底板顺河向拉应力峰值就增加了0.70 MPa。

竖向拉应力σy：拉应力出现范围主要集中在拦污栅和底板混凝土的接触位置，最大值出现在模型1为3.94 MPa。且应力峰值从模型1到模型4依次递减。

横河向拉应力σz：与顺河向和竖向拉应力相比峰值较小，且影响范围明显减小，最大值出现在模型1为2.10 MPa。底板混凝土XY方向剪应力最大值出现在模型1为4.15 MPa。由计算结果可知模型1各方向应力峰值均较大，是最危险的模型，模型4应力峰值较小，但工程成本太大，设计较为保守且无实际需要。

3 结论

由进水塔底板优化模型计算位移和应力的结果，可以得到以下几个结论：

第一，各种模型下，进水塔结构的位移总趋势基本以流道中心线呈对称分布。4个模型塔顶各向位移相差最大值为0.08 mm，出现在横河向塔顶位移。可见底板厚度的变化对进水塔结构塔体位移影响很小，差别可忽略不计。

第二，由底板混凝土应力计算结果可知，除模型1应力较大区域影响范围稍大外，其余三个模型应力峰值区域基本一致。底板厚度太薄高应力区域可能会贯穿底板延伸到基岩，导致进水塔结构的破坏，底板厚度太厚不仅增加工程成本，而且对降低拉应力峰值及其影响区域效果并不明显，甚至会导致拉应力峰值的增加，如模型3较模型2底板顺河向拉应力峰值就增加了0.70MPa。

第三，模型1各方向应力峰值均较大，是最危险的模型，模型4应力峰值较小，但工程成本太大，设计较为保守且无实际需要。模型2和模型3相对为较优工况，建议进水塔底板厚度取3～4m较为合理。

[1]李付长.白龟山水库堤坝地震可液化地基的抗震处理[J].人民黄河,2010,32(7)：116-119.

[2]李德玉,王海波,涂劲,等.拱坝坝体-地基动力相互作用的振动台动力模型试验研究[J].水利学报,2003(7)：30-35.

[3]方志,陆浩亮,王龙.土-结构动力相互作用研究综述[J].世界地震工程,2006,22(1)：57-63.