基于ANSYS的阿海水电站静动力分析

1、基于ANSYS的阿海水电站混凝土碾压重力坝静动力分析邹小红1，于跃2，张彩秀21河海大学 水利水电学院，江苏 南京 （210098） 2昆明勘测设计研究院，云南 昆明 （650051）摘要：采用大型通用软件ANSYS，通过对阿海水电站碾压混凝土重力坝方案各坝段分别进行平面有限元静力和动力分析，及静动结果叠加分析，探讨了坝体及基础在各种工况下的变形和应力规律，了解坝体和基岩在设计条件下的工作形态，对方案的可靠性进行了评价。关键词:ANSYS，静力分析，动力分析，谱分析，模态分析中图分类号：TV311 TV3121.工程概况阿海水电站是以发电为主，兼有库区航运、水土保持和旅游等综合效益的大型水电水

2、利工程。电站正常蓄水位1504.00，相应库容8.06×1083，校核洪水位1507.23m，相应库容8.82×108m3，有效库容1.06×108m3，具有日调节性能。工程布置推荐方案的最大坝高138m，装机容量2000MW（5×400MW）。根据防洪标准（GB50201-94）及水电枢纽工程等级划分及设计安全标准（DL5180-2003）的规定，本工程按库容确定的工程等别为二等工程，工程规模为大（2）型；安装机容量确定的工程等别为一等工程，工程规模为大（1）型。由于本工程位于金沙江干流上，工程总体规模较大，故最终确定为一等大（1）型工程，其主要水工建

3、筑物大坝、泄洪、冲沙建筑物和引水发电建筑物属1级建筑物，结构安全级别为级。坝趾区基本烈度为7度，设计地震烈度采用8度。2 计算内容及方法2.1 计算内容通过阿海重力坝方案进行线性静动力有限元分析，给出坝体及基础在静动力荷载作用下的位移场与应力场等，以了解坝体和基岩在设计条件下的工作形态，对混凝土重力坝方案的可靠性进行评价。静力分析，采用线弹性材料进行模拟；动力分析，采用DL5073-1997水工建筑物抗震设计规范中所规定的振型分解反应谱法按弹性材料进行计算5。2.2 计算工况计算考虑正常蓄水位工况、设计洪水位工况、校核洪水位工况、施工期工况和地震工况，各工况荷载组合见表13,4。表1 计算工况

4、及荷载组合计算工况坝体自重静水压力(m扬压力泥沙压力浪压力上游水位下游水位厂房下游水位基本组合正常蓄水位1504.001411.866（1.5台机）1411.866（1.5台机）设计洪水位(P=0.21504.001436.1581434.723施工期工况-偶然组合校核洪水位(P=0.021507.231439.8001437.297地震工况正常蓄水位工况地震作用2.3计算模型结合坝体结构及坝址地质情况选取非溢流坝段、溢流坝段、厂房坝段及左冲沙底孔坝段四个坝段进行有限元分析，有限元模型见图1。模型的边界范围：坝体上、下游及坝底分别延伸2倍坝高。约束条件：上、下游两侧施加法向约束，底部施加全约束

5、。坐标规定为：X为顺河向，上游指向下游为正；Y为竖直方向，向上为正；Z为横河向，左岸指向右岸为正。非溢流坝段溢流坝段厂房坝段左冲沙底孔坝段图1 有限元模型2.4 计算地震分析方法重力坝的地震分析一般有动力法和静力法，本次计算采用动力法中的振型分解反应谱法进行重力坝的地震动力分析。它考虑了地震时地面的运动特性与结构自身的动力特性，是当前工程设计应用最为广泛的抗震设计方法。振型分解反应谱理论假设结构物最不利地震反应为其最大地震反应，这样就可以一次求出最大地震内力或位移，节约了大量的计算时间和计算量，提高了计算效率。反应谱是将具有不同自振周期的单质点在许多地震过程中的最大反应值加以均化后按自震周期绘

6、制的曲线。反应谱法的分析步骤主要是两部分:首先是建立模型后求得模态解，得到体系的自振频率和振型；然后将模态分析的结果同输入的加速度谱联系起来求解结构对应其各阶振型的地震作用效应后，再组合成结构的总地震作用效应。振型组合采用“SRSS”方式，计算考虑前10阶振型。坝体在地震作用下发生振动时，库水在上游坝面将产生动水压力，这相当于增加了坝体运动的惯性力，从而加大了地震荷载。所以需要考虑动水压力，按规范要求采用附加质量法进行，坝面附加质量按下式计算2。式中：Pw(h为地震动水压力；ah为地震加速度水平向代表值；w为水体质量密度；H0为水深；阻尼比采用Rayleigh比例阻尼假定，阻尼系数=0.05。

7、本次计算中同时计入水平向和竖向地震作用。计算参数如下：水平向设计地震加速度代表值ah0.344g，竖向设计地震加速度代表值av2*ah/3；特征周期Tg0.2（级场地）；设计反应谱最大值的代表值max2.0。动弹性模量为静弹性模量的1.3倍。根据水工建筑物设计规范（DL50732000），总的地震作用效应为竖向地震作用效应乘以0.5的遇合系数后与水平向地震作用效应直接相加。3 静力计算结果分析3.1 静态位移场坝体顺河向位移：在正常蓄水位工况、设计洪水位工况及校核洪水位工况中，坝体在上游水压力的作用下倾向下游，各坝段的最大顺河向位移均在坝顶下游侧角点，且均发生在校核洪水位工况，厂房坝段位移值最

8、大，为5.45cm。在施工期工况中，坝体均倾向上游，各坝段的最大位移均出现在坝顶上游侧角点，左冲沙底孔坝段最大，为-1.33cm。坝体竖向位移：在正常蓄水位工况、设计洪水位工况及校核洪水位工况中，除了溢流坝段竖直向最大沉降出现在校核水位工况外，其它各坝段均在正常蓄水位工况下沉降较大，厂房坝段最大，为-3.73cm。在施工期工况中，各坝段的最大沉降均出现在坝顶上游侧角点，厂房坝段最大，为-3.80cm。3.2 静态应力场竖向正应力：在正常蓄水位工况、设计洪水位工况及校核洪水位工况中，各坝段坝踵均有拉应力集中现在，厂房坝段拉应力最大，为1.73MPa，拉应力宽度为2.9，且不超过上游帷幕；溢流坝段

9、拉应力宽度最大，为4.7，但未超过上游帷幕。在上述三个工况中，各坝段坝趾均出现压应力集中现在，但在应力集中区域之外，坝基压应力均小于其承载力。厂房坝段竖向应力最大，发生在校核洪水位工况，为-8.46MPa，在距坝趾4m处折减为-3.05MPa。在施工期工况中，坝基均为压应力，且坝踵比坝趾大，厂房坝段坝踵处最大，为-4.77MPa。垂直岩层方向压应力：在正常蓄水位工况、设计洪水位工况、校核洪水位工况及施工期工况中，各坝段在坝趾附近压应力较集中，但在应力集中区域之外，坝基压应力均小于其承载力。厂房坝段最大，发生在校核洪水位工况，为-12.00MPa，距厂坝分缝处约4m处折减为-4.44MPa。4

10、动力计算结果分析4.1 模态分析用于确定结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型。一般来说，n个自由度体系就有n个自振频率，相应地有n个主振型。但这n个主振型中一般只有前几个是起决定作用的。为了计算准确，求出了满库和空库情况下的前10阶自振频率，各坝段的结果如表2所示。由于库水动水压力的作用，满库时频率比空库时频率小1。表2 各坝段的自振频率阶数坝段12345678910非溢流坝段满库2.274.605.8910.9316.2518.4622.4927.3427.3428.47空库2.835.696.9713.3021.3523.1531.9134.4839.1640.86溢流坝段满库2.42

11、4.205.9510.5314.0016.8117.5918.8419.4523.37空库3.175.317.2112.7717.3119.0823.9825.8530.7132.10左冲沙底孔坝段满库1.763.164.407.0910.5011.6814.5715.1116.5617.14空库2.243.955.218.3914.4714.8219.0821.1222.3125.03厂房坝段满库1.502.632.943.955.375.727.388.2310.9011.13空库2.003.003.334.605.646.229.0311.5713.4213.834.2 动态位移场如下表

12、3所示，各坝段最大顺河向动位移均出现在坝顶，其中厂房坝段的顺河向位移最大，达到5.29cm，并且各坝段的顺河向位移从坝顶至坝基位移逐渐减小；各坝段最大竖向动位移都出现在坝的上游侧坝体的上部位置处，其中厂房坝段的竖向位移最大，达到2.31cm，并且各坝段的竖向位移从上游至下游位移逐渐减小。表3 各坝段最大动位移汇总 （单位：cm）坝 段顺河向动位移竖直向动位移最大值位置最大值位置非溢流坝段3.14坝顶1.45坝顶上游侧角点溢流坝段2.94同上1.45闸墩上游侧左冲沙底孔坝段4.33同上2.07坝顶上游侧角点厂房坝段5.29同上2.31拦污栅平台4.3 动态应力场表4列出了各坝段的最大动应力值。在

13、仅考虑地震单独作用时，各项动应力的最大和最小值，基本出现在坝体表面上，坝体内部的动应力均相对较小。坝体水平地震动应力的最大值出现在上下游边缘处，且在坝体内部自下而上逐渐增大。坝体竖向地震动应力的最大值也出现在上下游边缘处，且在坝体内部自下而上逐渐减小。在坝踵与坝趾处应力达到最大值，其中厂房坝段处应力值最大，顺河向动应力最大值为3.84MPa，竖向动应力最大值为7.94MPa，剪向动应力最大值1.46MPa。表4 各坝段最大动应力值汇总 （单位：MPa）坝段顺河向动应力竖直向动应力剪动应力最大值位置最大值位置最大值位置非溢流坝段1.48坝趾3.77坝踵0.86坝踵溢流坝段3.61坝踵5.81同上

14、1.23坝踵左冲沙底孔坝段3.84坝趾6.35同上1.12坝踵厂房坝段5.86坝趾7.94同上1.46坝踵4.4 静动叠加结果分析在线弹性范围内，动力作用下的位移曲线叠加静力作用下的位移就得到动静响应组合的位移曲线，即通过分别计算静力荷载及动力荷载作用下结构的内力，然后将它们线性叠加作为总的内力即静态结果加上动态结果与静态结果减去动态结果6。将静态与动态分析成果叠加后，各坝段的位移均有所增大。各坝段最大顺河向位移都出现在坝顶处，并且各坝段的顺河向位移从坝顶至坝基位移逐渐减小；各坝段的竖向位移从上游至下游位移逐渐减小；厂房坝段的顺河向位移最大，为10.42cm，出现在坝顶。厂房坝段的竖向位移最大

15、，为-4.93cm，出现在坝趾处。各坝段在角点处均出现应力集中现象，且递减梯度较大，集中区域外应力值均在常规范围内。顺河向动应力：各坝段的最大顺河向拉应力均出现在坝踵处，各坝段最大压应力均出现在坝趾处，厂房坝段的顺河向动应力最大，最大拉应力为7.95MPa，最大压应力为-15.69MPa。竖向动应力：各坝段的竖向最大拉应力均出现在坝踵处，各坝段最大压应力均出现在坝趾处，厂房坝段的竖向动应力最大，最大拉应力为9.23MPa，最大压应力为-13.86MPa。剪应力：各坝段的最大剪应力均出现在坝趾处，各坝段最小剪应力均出现在坝踵处，厂房坝段的剪应力在坝踵和坝趾处最大，剪应力在坝踵处最大值为-1.84

16、MPa。5 结论(1在静荷载作用下，各坝段的位移场、应力场符合相应的计算荷载条件和坝基地质条件，符合一般规律，且设计洪水位工况、校核洪水位工况与正常蓄水位工况的应力场、位移场分布规律及变化趋势基本一致，所不同的仅仅是具体应力值和位移值。坝踵处竖直向应力均为拉应力，其拉应力值并不大，而最大竖向应力则较大，使坝踵处产生了开裂，但开裂区域并不大，在不同坝型和工况下，拉应力宽度都小于规范规定的0.07，并且坝趾处的压应力并不大，能够满足混凝土的抗压要求。(3总体上来讲，这4种坝型的设计是基本符合设计规范要求的，坝体的压应力远小于混凝土材料的抗压强度，在静荷载作用下，坝踵处的受拉区域也满足设计规范要求。

17、静动叠加后各坝段的拉应力区较大，特别是坝踵处和坝趾，及角点处拉应力较大，在这些部位应采取一些结构措施。参考文献1 荆旭春，等.宝泉电站下水库重力坝地震动力响应分析J.人民黄河，2006，28(5：5660.2 罗业辉，赵海涛, 邓仕涛.应用ANSYS软件进行碾压混凝土重力坝非线性有限元静力和动力J.西北水电，2005，(：1822.3 中华人民共和国电力工业部混凝土重力坝设计规范DL5108-1999S.北京：中国水利水电出版社，19994 中华人民共和国电力工业部水工建筑物荷载设计规范DL5077-1997S.北京：中国水利水电出版，19975 中华人民共和国电力工业部水工建筑物抗震设计规范

18、DL5073-1997S.北京：中国水利水电出版，19976关淑萍基于ANSYS水闸动力我特性及内力分析方法研究D河海大学硕士论文，2006.5The Static and Dynamic Analysis of AHai Hydropower Station RCC Gravity Dam based on ANSYSZou Xiao-hong1, Yu Yue2, Zhang Cai-xiu21 College of Water Conservancy & Hydropower Engineering , Hohai University,Nanjing, PRC, 2100982 Kunming Hyd