張 焰,李會(huì)平,緱文娟,孟 濤

(1.新華水力發(fā)電有限公司，北京 100070；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350)

在泄水過(guò)程中由于水流的強(qiáng)烈紊動(dòng)泄流結(jié)構(gòu)一般都存在振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)限制在一定范圍時(shí)，通常是無(wú)害的；但在某些條件下，泄流結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形過(guò)大無(wú)法正常操作或致使運(yùn)行人員恐懼及結(jié)構(gòu)整體失事等。隨著高水頭、大流量泄水建筑物的大量興建及工程結(jié)構(gòu)趨于輕型化，水流誘發(fā)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題將會(huì)更加突出，嚴(yán)重情況下就有可能造成結(jié)構(gòu)損傷，甚至結(jié)構(gòu)功能的失效。特別是部分輕型泄流結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期的水流動(dòng)力荷載作用下，常導(dǎo)致疲勞破壞引起工程事故。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多起閘墩和隔水墻破壞和強(qiáng)烈振動(dòng)的工程實(shí)例[1- 2]。如美國(guó)德克薩爾卡那壩(Texarkana Dam)隔水墻、垂尼蒂壩(Trinity Dam)隔水墻以及納佛角壩(Navajo Dam)隔水墻的疲勞破壞；前蘇聯(lián)的巴帕津斯基水利樞紐溢洪道消力池內(nèi)分水墻的振動(dòng)破壞；我國(guó)萬(wàn)安水電站導(dǎo)墻的流激振動(dòng)破壞、大化水電站閘墩泄流過(guò)程中的強(qiáng)烈振動(dòng)(最大單倍振幅達(dá)3mm)、烏江渡導(dǎo)墻泄流時(shí)的強(qiáng)烈振動(dòng)(側(cè)向振動(dòng)振幅最大值達(dá)2mm)等。閘墩或?qū)@種輕型薄壁結(jié)構(gòu)受到脈動(dòng)壓力的交變作用，常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)烈振動(dòng)甚至疲勞破壞，嚴(yán)重影響樞紐工程安全和正常運(yùn)行，正確評(píng)估在役泄洪閘閘墩或?qū)Y(jié)構(gòu)的振動(dòng)安全具有重要應(yīng)用價(jià)值。陳林等[3- 5]針對(duì)某一大型水電站泄洪閘閘墩在其泄洪過(guò)程中出現(xiàn)的強(qiáng)烈振動(dòng)情況，系統(tǒng)地開(kāi)展了閘墩原型振動(dòng)測(cè)試、振動(dòng)響應(yīng)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)與加固減振運(yùn)行安全評(píng)價(jià)研究。文獻(xiàn)[6- 7]基于水彈性模型實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算，提出了導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)特征與流激振動(dòng)安全性的關(guān)系。并對(duì)大流量泄洪誘發(fā)水工建筑物(拱壩、導(dǎo)墻、挑溢流廠(chǎng)房、閘墩)振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了綜述。文獻(xiàn)[8]對(duì)三峽左導(dǎo)墻進(jìn)行了原型振動(dòng)測(cè)試與動(dòng)態(tài)識(shí)別，并對(duì)其泄洪振動(dòng)安全進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[9- 10]以環(huán)境激勵(lì)作為激勵(lì)源，對(duì)震后的攔河閘和地下廠(chǎng)房進(jìn)行了動(dòng)態(tài)檢測(cè)，并基于模態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)安全評(píng)估。文獻(xiàn)[11]在明渠內(nèi)增設(shè)“6m T型墩+8m連續(xù)坎”輔助消能工方案，從流激振動(dòng)位移均方差角度判斷明渠內(nèi)增設(shè)輔助消能工的消能方案的可行性。彭兆軒[12]、陳超[13]利用Abaqus分別研究了某重力壩泄洪閘左導(dǎo)墻壩段的應(yīng)力特性、擋墻側(cè)壁現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化。

本文以阿爾塔什1#深孔消力池邊墻為工程實(shí)例，通過(guò)數(shù)值模擬的方法開(kāi)展了邊墻結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程計(jì)算，對(duì)不同厚度的邊墻進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)對(duì)邊墻的運(yùn)行安全進(jìn)行了評(píng)估。

1 有限元模型構(gòu)建

1.1 體型對(duì)比

原始體型：阿爾塔什1#深孔消力池段由底板、兩邊的邊墻、柵條、拉桿組成。如圖1(a)所示，消力池兩邊墻的距離為18m，邊墻高度22.96m、頂厚1.0m、底厚2.0m，邊墻平均厚高比15.3，分別在頂部和9.6m高度處布置有2層橫向聯(lián)系結(jié)構(gòu)(頂層拉桿及下層?xùn)艞l)。消力池邊墻結(jié)構(gòu)相對(duì)較弱，其穩(wěn)定性應(yīng)給以足夠重視。消力池?cái)嗝嫒鐖D1(b)所示。

圖1 消力池體型示意圖

優(yōu)化體型：消力池邊墻底部和頂部均增加1m，體型修改后邊墻頂部變?yōu)?m，底部邊墻厚度變?yōu)?m，平均厚高比9.2，消力池?cái)嗝嫒鐖D1(c)所示。

1.2 有限元模型

考慮到消力池水深較大，盡管布置有2層橫向聯(lián)系結(jié)構(gòu)(頂層拉桿及下層?xùn)艞l)，但由于結(jié)構(gòu)相對(duì)較弱，水躍區(qū)水流強(qiáng)烈紊動(dòng)會(huì)對(duì)邊墻的穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅，其穩(wěn)定性應(yīng)給以足夠重視。采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力軟件ANSYS對(duì)阿爾塔什1#深孔消力池段進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移的計(jì)算。將物理模型實(shí)測(cè)荷載的時(shí)間過(guò)程均勻加在邊墻結(jié)構(gòu)上，計(jì)算出消力池邊墻各部位的動(dòng)力響應(yīng)。

1#深孔消力池段每隔10m設(shè)有結(jié)構(gòu)縫，因此取相鄰結(jié)構(gòu)縫之間的結(jié)構(gòu)為一個(gè)整體系統(tǒng)，用ANSYS軟件建立有限元模型；模型采用Solid185單元，邊墻與底板的材料屬性取為一致，取密度為2.4t/m3，彈性模量取28GPa，泊松比取值0.167，底板的地面采用全約束；采用附加質(zhì)量法來(lái)模擬水體和消力池邊墻的流固耦聯(lián)作用，附加質(zhì)量用MASS21單元模擬，計(jì)算消力池邊墻的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移。有限元模型如圖2所示。

圖2 消力池有限元模型

1.3 計(jì)算工況

結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析計(jì)算工況見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算工況表

2 動(dòng)應(yīng)力

將模型實(shí)測(cè)荷載的時(shí)間過(guò)程均勻加載到消力池邊墻結(jié)構(gòu)上，計(jì)算出消力池邊墻各部位的動(dòng)力響應(yīng)。不同體型消力池邊墻動(dòng)應(yīng)力結(jié)算結(jié)果對(duì)比如圖3所示、不同工況消力池邊墻動(dòng)應(yīng)力結(jié)算結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

圖3 不同體型消力池邊墻動(dòng)應(yīng)力對(duì)比

圖4 不同工況消力池邊墻動(dòng)應(yīng)力對(duì)比

由圖3—4計(jì)算結(jié)果可以看出，消力池邊墻動(dòng)應(yīng)力整體趨勢(shì)是隨著高程的增加不斷變小，在底部的動(dòng)應(yīng)力達(dá)到最大值。工況一的動(dòng)應(yīng)力最大值和均動(dòng)應(yīng)力最大值峰值、均方差峰值對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 動(dòng)應(yīng)力最大值和均方差對(duì)比

方差明顯大于工況二。原始體型和優(yōu)化體型消力池邊墻的動(dòng)應(yīng)力均在工況一高程1650.685m處動(dòng)應(yīng)力最大值出現(xiàn)峰值，最大值峰值分別為0.292MPa和0.199MPa，均方差峰值為0.044MPa和0.031MPa；優(yōu)化體型消力池邊墻的動(dòng)應(yīng)力最大值和均方差比原體型均有降低，工況一動(dòng)應(yīng)力最大值和均方差的峰值降幅分別為31.85%和29.55%，工況二動(dòng)應(yīng)力最大值和均方差的峰值降幅分別為15.25%和28.57%。

3 動(dòng)位移

與消力池邊墻動(dòng)應(yīng)力計(jì)算一樣，將模型實(shí)測(cè)荷載的時(shí)間過(guò)程均勻的加載到消力池邊墻結(jié)構(gòu)上，計(jì)算出消力池邊墻各個(gè)部位的動(dòng)位移。不同體型消力池邊墻動(dòng)位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖5所示,不同工況消力池邊墻動(dòng)位移結(jié)算結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

圖5 不同體型消力池邊墻動(dòng)位移對(duì)比

圖6 不同工況消力池邊墻動(dòng)位移對(duì)比

由圖5—6計(jì)算結(jié)果可以看出，消力池邊墻的動(dòng)位移最大值和均方差沿著高程方向呈逐漸增大的趨勢(shì)。工況一的動(dòng)位移最大值和均方差明顯大于工況二。原始體型和優(yōu)化體型消力池邊墻的動(dòng)位移均在工況一高程1672.000m處動(dòng)應(yīng)力最大值出現(xiàn)峰值，最大值峰值分別為63.8μm和48.5μm，均方差峰值分別為17.3μm和13.2μm；優(yōu)化體型消力池邊墻的動(dòng)位移最大值和均方差比原體型均有降低，工況一動(dòng)位移最大值和均方差的峰值降幅分別為23.98%和23.70%，工況二動(dòng)位移最大值和均方差的峰值降幅分別為11.72%和18.18%。

動(dòng)位移最大值峰值、均方差峰值對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 動(dòng)位移最大值和均方差對(duì)比(垂直水流向動(dòng)位移)

4 穩(wěn)定性評(píng)估

4.1 穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)

(1)允許拉應(yīng)力：混凝土在泄洪振動(dòng)作用下的疲勞破壞問(wèn)題，至今還沒(méi)有成熟的理論；對(duì)于動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)的評(píng)估，可以參考車(chē)宏亞[14]所提的一般控制標(biāo)準(zhǔn)，即混凝土疲勞極限強(qiáng)度可取0.5倍混凝土的靜力強(qiáng)度。考慮到水工混凝土工作條件的復(fù)雜性以及徐變等因素的影響，可以取泄洪振動(dòng)的“允許動(dòng)應(yīng)力”為0.45倍的靜力允許應(yīng)力值；若靜力條件下允許拉應(yīng)力[σ]取1.28MPa(C25混凝土)，則泄洪振動(dòng)的允許拉應(yīng)力可取0.576MPa。

(2)允許振幅：關(guān)于泄流振動(dòng)動(dòng)位移對(duì)結(jié)構(gòu)自身安全的評(píng)估，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)；前蘇聯(lián)學(xué)者提出的按建筑物的十萬(wàn)分之一作為“允許振幅”。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為，若僅從結(jié)構(gòu)自身安全性角度，可將允許振幅提高到四萬(wàn)分之一的結(jié)構(gòu)高度。為了增加結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，此處仍采用前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行動(dòng)位移控制，若按照此位移標(biāo)準(zhǔn)，高度22.96m的邊墻允許位移為230μm。

4.2 穩(wěn)定性判斷

原始體型和優(yōu)化體型消力池邊墻的動(dòng)應(yīng)力均在工況一高程1650.685m處動(dòng)應(yīng)力最大值出現(xiàn)峰值，最大值峰值分別為0.292MPa和0.199MPa，分別為允許動(dòng)應(yīng)力0.567MPa的51.50%和35.10%，均小于允許動(dòng)應(yīng)力0.567MPa，動(dòng)應(yīng)力滿(mǎn)足要求。

原始體型和優(yōu)化體型消力池邊墻的動(dòng)位移均在工況一高程1672.000m處動(dòng)應(yīng)力最大值出現(xiàn)峰值，最大值峰值分別為63.8μm和48.5μm；分別為允許動(dòng)位移230μm的27.74%和21.09%，均遠(yuǎn)小于允許位移為230μm，動(dòng)位移滿(mǎn)足要求，邊墻產(chǎn)生疲勞破壞的可能性較小。

4.3 穩(wěn)定性對(duì)比

原始體型消力池邊墻動(dòng)應(yīng)力最大值峰值為0.292MPa、均方差峰值為0.044MPa，垂直水流向動(dòng)位移最大值峰值為63.8μm、均方差峰值為17.3μm；優(yōu)化消力池體型邊墻動(dòng)應(yīng)力最大值峰值為0.199MPa、均方差峰值為0.031MPa，垂直水流向動(dòng)位移最大值峰值為48.5μm、均方差峰值為13.2μm。

優(yōu)化體型和原始體型的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移均滿(mǎn)足安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化體型消力池邊墻的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移比原體型均有降低，優(yōu)化體型動(dòng)應(yīng)力最大值峰值、均方差峰值的降幅分別為31.85%和29.55%，動(dòng)位移最大值峰值、均方差峰值的降幅分別為23.98%和23.70%。優(yōu)化效果明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬的方法開(kāi)展了阿爾塔什1#深孔消力池邊墻結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程計(jì)算，從動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)位移的維度分析了邊墻的振動(dòng)特性；對(duì)不同厚度的邊墻進(jìn)行對(duì)比并進(jìn)行了安全評(píng)估。

(1)動(dòng)力響應(yīng)特性：消力池邊墻動(dòng)應(yīng)力整體趨勢(shì)是隨著高程的增加不斷變小，在底部的動(dòng)應(yīng)力達(dá)到最大值；消力池邊墻的動(dòng)位移最大值和均方差沿著高程方向呈逐漸增大的趨勢(shì)；工況一的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移明顯大于工況二。

(2)體型對(duì)比及安全評(píng)估：優(yōu)化體型和原始體型的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移均滿(mǎn)足安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化體型消力池邊墻的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移比原體型均有降低，優(yōu)化體型動(dòng)應(yīng)力最大值峰值、均方差峰值的降幅分別為31.85%、29.55%，動(dòng)位移最大值峰值、均方差峰值的降幅分別為23.98%、23.70%。優(yōu)化效果明顯。消力池邊墻適當(dāng)加厚能較大幅度減小動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)位移。