李建平

（江蘇省南昌縣紅旗大泵電力排灌管理站，江西 南昌330000）

1 研究背景與方法

本文研究的垣曲抽水蓄能電站位于山西省，電站的上下游水位差最大值為694.5m， 最小值為629m，能電站總裝機(jī)容量1200MW，安裝4臺(tái)單機(jī)容量300MW的可逆式水泵水輪機(jī)組。 電站年發(fā)電量18.05億kW·h，年抽水電量24.07億kW·h，年利用小時(shí)發(fā)電為1504h， 抽水為2006h。 輸水系統(tǒng)總長(zhǎng)為1870.98m。

設(shè)計(jì)大中型水利工程輸水道時(shí)， 為了保證輸水道便于檢修和保障隧洞安全運(yùn)行， 往往需要設(shè)置閘門有效控制水流［1］。 當(dāng)圍巖條件比較好時(shí)，往往會(huì)將閘門井布置山巖之中。 抽水蓄能電站閘門井是引水系統(tǒng)工程的永久性建筑物［2］，在緊急情況下可以分隔輸水道與上下庫(kù)或廠房， 因此閘門井的結(jié)構(gòu)安全尤為重要。 本文以山西垣曲抽水蓄能電站上庫(kù)進(jìn)出水口閘門井為例， 基于有限元分析軟件ANSYS，對(duì)閘門井結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算， 提高了閘門井結(jié)構(gòu)計(jì)算精度和結(jié)果的準(zhǔn)確性， 并利用應(yīng)力云圖線性化計(jì)算得到結(jié)構(gòu)內(nèi)力值， 依據(jù)計(jì)算出的內(nèi)力值結(jié)合規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋，得出的配筋結(jié)果更合理，可直接應(yīng)用于閘門井結(jié)構(gòu)的施工圖設(shè)計(jì)［3］。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

作為電網(wǎng)智能化的有力支撐的抽水蓄能經(jīng)過(guò)兩次能量轉(zhuǎn)換總效率可以達(dá)75%。 抽水蓄能電站具有調(diào)整用電負(fù)荷、調(diào)整電力系統(tǒng)頻率、作為電力系統(tǒng)備用容量等功能， 可以提高電力系統(tǒng)供電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。 同時(shí)由于抽水蓄能電站可以有效降低電力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)熱備用容量和吸收谷負(fù)荷的作用， 因此是綠色電力體系不可或缺的組成部分［4］。 雖然我國(guó)抽水蓄能技術(shù)起步較晚，但是技術(shù)發(fā)展進(jìn)步較快，目前我國(guó)抽水蓄能電站規(guī)模與技術(shù)已經(jīng)處于世界一流水平。抽水蓄能電站在保障電網(wǎng)安全運(yùn)行、促進(jìn)清潔能源發(fā)展方面發(fā)揮重要作用。 由于抽水蓄能電站水頭較高， 往往需要設(shè)置閘門井來(lái)減少水擊壓力對(duì)輸水系統(tǒng)和發(fā)電設(shè)備的破壞。 傳統(tǒng)方法將閘門井用于放置閘門槽構(gòu)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁或懸臂梁來(lái)計(jì)算， 在此基礎(chǔ)上完成配筋，由于不考慮圍巖的彈性抗力，計(jì)算結(jié)果往往不夠精確。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及有限元分析理論的日趨完善， 有限單元法在工程領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

3 有限元方法

有限元方法是一種比較新穎有效地求解各種力學(xué)和場(chǎng)問題的數(shù)值計(jì)算方法。 有限元方法起源于20世紀(jì)早期。由于有限元方法具有準(zhǔn)確和簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為目前應(yīng)用最為廣泛的一種數(shù)值模擬計(jì)算方法［5］。

有限元方法的基本思想是把連續(xù)系統(tǒng)割成有限個(gè)滿足后處理精度大小的單元， 各單元由設(shè)置的節(jié)點(diǎn)相互連接， 由有限個(gè)單元節(jié)點(diǎn)組成的系統(tǒng)來(lái)代替原來(lái)的連續(xù)系統(tǒng)［6］。 同時(shí)，在各節(jié)點(diǎn)上引入場(chǎng)函數(shù)來(lái)代替實(shí)際作用于系統(tǒng)上的載荷與邊界條件， 并在每個(gè)單元中假設(shè)一個(gè)近似的插值函數(shù)來(lái)表示單元場(chǎng)函數(shù)的分布規(guī)律。 再建立求解節(jié)點(diǎn)未知量的彈性力學(xué)三大方程，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的邊界條件，對(duì)所有單元建立應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件［7］。 將所有方程集合起來(lái)，構(gòu)成一組代數(shù)方程組，一一求解得到有限個(gè)節(jié)點(diǎn)處的變量。

有限元分析基本流程包括以下步驟： ①完成對(duì)象的離散，即對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑虎诿枋鰡卧?，即?jì)算各單元?jiǎng)偠确匠蹋虎壅w組裝，組裝各單元?jiǎng)偠确匠蹋虎軉栴}求解，處理邊界條件求解節(jié)點(diǎn)位移，求支反力，求單元的其他力學(xué)變量（應(yīng)力、應(yīng)變）。

ANSYS求解應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程中包含了彈性力學(xué)的研究方法，在體積V內(nèi)：

依據(jù)微分體的平衡條件， 建立平衡微分方程（differential equations of equilibrium），如式（1）：

由微分線段上形變與位移的幾何關(guān)系， 建立幾何方程（Geometrical equations），如式（2）：

兩者關(guān)系為相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)。醫(yī)院文化對(duì)思想政治工作具有引導(dǎo)、規(guī)劃和促進(jìn)作用，醫(yī)院思想政治工作的開展應(yīng)重視醫(yī)院文化的積極作用，[3]并善于主動(dòng)營(yíng)造良好的醫(yī)院文化環(huán)境，以促進(jìn)醫(yī)院思想政治工作的實(shí)際效果；思想政治工作能有力促進(jìn)醫(yī)院文化建設(shè)，保證醫(yī)院文化建設(shè)的正確方向。

4 設(shè)計(jì)過(guò)程

4.1 ANSYS建模

閘門井建模過(guò)程按照關(guān)鍵點(diǎn)到線到面最后到體的順序進(jìn)行。首先根據(jù)剖面圖建立閘門井剖面，并在閘門井外建立邊長(zhǎng)為閘門井直徑7倍的正方形平面用來(lái)模擬圍巖。選取兩個(gè)經(jīng)過(guò)黏接操作的平面，同時(shí)進(jìn)行extrude操作進(jìn)行拉伸， 拉伸長(zhǎng)度設(shè)置為閘門井實(shí)際深度， 本文所研究的抽水蓄能電站閘門井深度為93m。 本設(shè)計(jì)模型如圖1，圖2。

圖1 拉伸前平面模型

圖2 拉伸后立體模型

建立模型后就需要對(duì)所建立模型賦予單元屬性。 本文選取的是solid186單元。 定義完單元屬性后需要對(duì)圍巖和井身分別賦予不同的材料屬性。 材料屬性是和集合模型無(wú)關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。 具體材料屬性如表1。

表1 材料屬性

完成單元屬性賦予后就需要對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑?采取不同的網(wǎng)格劃分方式會(huì)使有限元分析結(jié)果千差萬(wàn)別，甚至無(wú)法計(jì)算。考慮到后續(xù)所取截面位置，本文采用體模型中六面體選項(xiàng)，通過(guò)sweep進(jìn)拖拉、結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。

4.2 加載求解

ANSYS中載荷的概念包含了邊界條件、 外部效應(yīng)和內(nèi)部效應(yīng)。 本文所涉及荷載為表面荷載與慣性荷載。 所施加表面荷載為水壓力，呈梯度分布；施加慣性荷載是物體慣性所引起的荷載，本文中是重力。正常運(yùn)行工況荷載分為內(nèi)水壓力和重力， 內(nèi)水壓力作用于井壁，淹沒深度為85m，梯度荷載。施加荷載之后需要對(duì)實(shí)體進(jìn)行約束，約束采用dOF約束，用于限定模型的自由度。結(jié)合工程實(shí)際情況，在圍巖的四周和底面進(jìn)行了約束，用以限制構(gòu)件的平移自由度。完成所有操作后將施加在實(shí)體模型上的荷載轉(zhuǎn)化到有限元模型上。 施加荷載與約束后如圖3、圖4。

圖3 正常運(yùn)行工況荷載約束示意圖

圖4 正常運(yùn)行工況荷載示意圖

4.3 后處理

引水閘門井井身為此次計(jì)算結(jié)構(gòu)， 根據(jù)地質(zhì)專業(yè)提供的圍巖分類，引水閘門井周圍均為Ⅲ類圍巖，故依據(jù)井身布置及應(yīng)力云圖分布選取3個(gè)計(jì)算斷面，如圖5。 Ⅲ類圍巖豎井不考慮水平圍巖壓力。

圖5 閘門井剖面示意圖

1-1截面的應(yīng)力x方向應(yīng)力云圖如圖6 （x方向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在通氣孔處）。1-1截面y方向應(yīng)力云圖如7（y方向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在通氣孔處）。

圖6 1-1截面x方向應(yīng)力路徑

圖7 1-1截面y方向應(yīng)力路徑示意

表2 各截面工況內(nèi)力應(yīng)力匯總

研究1-1 截面y 方向應(yīng)力時(shí)選取路徑長(zhǎng)度為468mm。 在正常運(yùn)行工況下， 根據(jù)線性化后的結(jié)果，1-1 斷 面y 方 向 最 大 應(yīng) 力：-3004Pa， 最 小 應(yīng)力：-0.986MPa。

5 結(jié)果分析與建議

閘門井x，y，z方向應(yīng)力和第一主應(yīng)力均按照從井底到井身逐漸增大的規(guī)律。 尤其是z方向應(yīng)力的分布，與預(yù)計(jì)分布較為一致。 應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，僅在局部區(qū)域存在拉應(yīng)力。本文屬于大體積水工建筑物，內(nèi)部應(yīng)力偏小。由于閘門井體型偏大，采取常規(guī)方法配筋會(huì)導(dǎo)致鋼筋消耗量大。 在選取最小配筋率時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)具體應(yīng)力特點(diǎn)，進(jìn)行一些折減，或者在計(jì)算配筋面積時(shí)按照最小配筋率乘以承載力所需的混凝土面積來(lái)計(jì)算。

井身高度為93m，z方向變形較為明顯。 雖然混凝土彈性模量較大，同樣應(yīng)力下相對(duì)鋼材不易發(fā)生應(yīng)變。 但是考慮到井身縱向尺寸較大，故在z方向累積變形較大。 在設(shè)計(jì)應(yīng)考慮閘門井豎向縮短的影響，避免出現(xiàn)因設(shè)計(jì)高度不足導(dǎo)致閘門井涌浪溢出現(xiàn)象。

本文在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在閘門井井身z方向截取應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)通氣孔處在檢修工況和正常運(yùn)行工況都出現(xiàn)了較大的應(yīng)力。 通氣孔由于局部變形應(yīng)力數(shù)值比一般截面要大； 另一方面因?yàn)樵谕饪滋帋缀涡螤畈贿B續(xù)，存在截面尺寸突變，也會(huì)產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力。

6 結(jié)語(yǔ)

抽水蓄能電站閘門井同時(shí)承擔(dān)調(diào)壓井和放置閘門的作用。 本次設(shè)計(jì)建立了閘門井混凝土和圍巖聯(lián)合作用的模型，利用ANSYS軟件分析閘門井在不同工況下的應(yīng)力情況。 得出的主要結(jié)論如下：

（1）計(jì)算抽水蓄能電站閘門井配筋，發(fā)現(xiàn)閘門井內(nèi)應(yīng)力普遍小于混凝土抗拉強(qiáng)度，計(jì)算得出所選截面均按照構(gòu)造配筋。

（2）為了便于后續(xù)選取相應(yīng)的截面進(jìn)行分析，在ANSYS中劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)注意精度和網(wǎng)格屬性。

（3）抽水蓄能電站井身各截面x，y方向應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在通氣孔處， 由于存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在施工時(shí)應(yīng)注意保證通氣孔表面盡可能光滑平整。

（4）由于尺寸效應(yīng)，閘門井在z方向出現(xiàn)較大變形，長(zhǎng)度縮短。在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意控制構(gòu)件變形和排除因構(gòu)件變形帶來(lái)的負(fù)面影響。

（5）抽水蓄能電站閘門井屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)， 通過(guò)截面內(nèi)力計(jì)算發(fā)現(xiàn)所選截面均屬于構(gòu)造配筋，故選取合適的配筋率在設(shè)計(jì)中具有重要意義。配筋率過(guò)低無(wú)法保證構(gòu)件具有合適的延性特征。 同時(shí)由于構(gòu)件為受壓構(gòu)件， 在配筋率過(guò)低時(shí)其承載力甚至?xí)陀谕叽鐭o(wú)鋼筋混凝土構(gòu)件。 且構(gòu)件在后續(xù)運(yùn)行過(guò)程有受彎的可能，因此需保證合理配筋率。此外合理配筋還有助于削弱大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫與干縮裂縫。 但是大體積混凝土配筋率不合理偏高將大大增加鋼筋用量，提高工程成本，造成資源浪費(fèi)。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮，選擇合適的配筋率。

（6）傳統(tǒng)配筋計(jì)算是將閘門井當(dāng)做懸臂梁進(jìn)行配筋運(yùn)算。本文將圍巖和閘門井同時(shí)建模，較好地模擬了閘門井的實(shí)際工作條件， 同時(shí)利用ANSYS進(jìn)行計(jì)算，完整獲取在復(fù)雜外力作用下，變形體內(nèi)部的各項(xiàng)力學(xué)信息，即位移、應(yīng)變、應(yīng)力。目前關(guān)于閘門井的ANSYS建模計(jì)算大多數(shù)是建立平面模型， 計(jì)算出相應(yīng)的截面的內(nèi)力，計(jì)算忽略了自重。由廣義胡克定律可知，忽略自重將導(dǎo)致x，y方向正應(yīng)變?cè)龃螅瑥亩c實(shí)際值產(chǎn)生偏離。同時(shí)本文計(jì)算時(shí)考慮了圍巖作用，可減少配筋面積，配筋結(jié)果更加經(jīng)濟(jì)合理。

（7） 規(guī)范給出通氣孔面積設(shè)計(jì)值公式僅從水力學(xué)和流體力學(xué)角度考慮，所以僅僅通過(guò)規(guī)范設(shè)計(jì)，數(shù)值稍顯籠統(tǒng)粗糙。 建議后續(xù)設(shè)計(jì)通氣孔尺寸時(shí)考慮應(yīng)力集中影響，同時(shí)考慮風(fēng)速和噪聲，得出一個(gè)更加合理、經(jīng)濟(jì)、安全的結(jié)果。