ABAQUS在水電站廠房地基應力分析中的應用

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

ABAQUS軟件是目前國際上先進的大型通用非線性有限元分析軟件，在工程領域得到了廣泛的應用[1-5]，對巖土工程中的實際模型所取的各種邊界條件以及土體的非線性本構關系有著很好的適應性[6]。地基應力分析往往是水電站廠房設計的重要課題。廠房地基面上所承受的最大正應力在任何情況下均不應超過地基的允許應力。本文以龍溪口水電站為例，利用ABAQUS軟件對廠房的地基應力進行了分析。

1 工程概況

龍溪口水電站航電結合，兼顧防洪、供水、環保等綜合利用。工程正常蓄水位317.00m，死水位316.00m，水庫具有日調節性能。工程建成后，電站裝機容量480MW，多年平均發電量20.20億kW·h。

發電廠房布置于河道左側，為河床式廠房，屬擋水建筑物，左側為魚道壩段，右側為泄洪閘壩段。發電廠房主要建筑物包括主機間壩段、安裝間壩段、裝卸場壩段、副廠房、攔沙坎、導墻、引水渠、尾水渠、主變及GIS 室內開關站等。廠內安裝9臺貫流式水輪發電機組，安裝高程為289.50m，單機容量為53.34MW，總裝機容量為480MW。廠房總長287.20m，其中主機間壩段203.20m、安裝間壩段60.0m、裝卸場壩段24m。除9號機組外，每兩臺機組之間設一永久沉降縫，共分5個機組壩段；安裝間布置在主機間左側，分為2個壩段(從左至右為安1號和安2號)。

2 地形地質情況

兩岸坡屬中低山—丘陵寬谷侵蝕地貌，河谷呈不對稱的“U”形寬谷。兩岸山體呈不對稱狀，左岸山勢低矮，且較平緩，坡頂高程約358.00m，與河床高差約55m，自然坡度約為4°～21°；右岸山勢較為陡峻、雄厚，坡頂高程約395m，與河床高差約92m，自然坡度約為39°～51°。該河段河谷左岸為堆積岸，河流階地亦較為發育，且較完整，沿岸發育分布有河漫灘和Ⅰ級階地，階地高程約307.00～314.00m，基本完整，其地勢平坦、開闊。

廠房地層巖性為侏羅系中統上沙溪廟組(J2s3-3):暗紫紅色、暗紫色泥巖，粉砂質泥巖夾中厚層或團塊狀鈣質長石砂巖、長石粉砂巖，砂巖含量約20%～30%，巖層產狀為N55°～74°E/SE∠26°～43°，區內無斷層切割以及褶皺發育的跡象。廠房主機間基礎置于新鮮巖體內，其地基允許承載力為1.5～1.8MPa，變形模量為3.0～3.5GPa；廠房安裝間基礎置于中風化和微風化巖體之上，中風化巖體地基允許承載力為1.0～1.2MPa，變形模量為2.0～2.5GPa，微風化巖體地基允許承載力為1.5～1.8MPa，變形模量為3.0～3.5GPa。

3 數值模擬

3.1 計算工況

取3種工況計算：

工況1：上游設計水位+下游最低通航水位；

工況2：上游設計水位+下游設計尾水位；

工況3：上游校核水位+下游最低水位。

各水位如下：

上游設計洪水位(P=1%)：317.49m；

上游校核洪水位(P=0.1%)：321.45m；

下游最低通航水位：300.00m；

下游最低尾水位(1臺機滿發)：301.10m；

下游設計洪水尾水位(P=1%)：315.73m。

3.2 建立模型

分別建立了9號機組段(一機一縫，邊機組段)、3號和4號兩臺機組段(兩機一縫，中間機組段)、廠房安裝間段的三維有限元模型。模型中考慮了對廠房整體安全性影響較大的強風化、弱風化及微新的巖層，并對各類巖層進行了比較符合實際的模擬。廠房和基礎網格大部分采用八節點六面體等參單元(C3D8單元)，只有少部分采用棱柱體過渡單元。

模型中x方向為沿壩縱向(正向由左岸指向右岸)、y方向為順河向(正向由上游到下游)、z方向為豎直向。計算范圍：沿壩踵向上游延伸150m，沿壩趾向下游延伸150m，沿建基面高程275.01m向基礎深部延伸107m。有限元模型網格圖見圖1～圖3。

圖1 廠房9號一臺機組段整體網格圖

圖2 廠房3號、4號兩臺機組段整體網格圖

圖3 安裝間段整體網格圖

施加的邊界條件為：對基巖上、下游邊界約束順河向水平位移，壩左、右岸邊界約束橫河向水平位移，底部約束全部位移。

3.3 計算結果分析

3.3.1 3號、4號機組段(中間機組段)

由圖4可知，在各種工況下，中間機組段建基面均未出現拉應力，壓應力值范圍為0.11～0.73MPa，最大值出現在建基面右上角點，最小值出現在左下角點。豎向沉降最大值為1.3cm。均滿足廠房基底應力及沉降要求。

3.3.2 9號機組段(邊機組段)

由圖5可知，在各種工況下，邊機組段建基面均未出現拉應力，壓應力值范圍為0.12～0.89MPa，最大值出現在建基面右上角點，最小值出現在左下角點。豎向沉降最大值為1.5cm。均滿足廠房基底應力及沉降要求。

圖4 中間機組段建基面z方向應力云圖

圖5 邊機組段建基面z方向應力云圖

3.3.3 安裝間段

圖6 安裝間段建基面z方向應力云圖

由圖6可知，在各種工況下，安裝間段建基面應力值最大值為0.82MPa，最大值出現在建基面右下角點。豎向沉降最大值為1.10cm。均滿足廠房基底應力及沉降要求。

4 結 語

利用ABAQUS軟件對龍溪口水電站廠房的地基應力進行了計算分析，計算結果表明：兩臺機機組段、一臺機機組段和安裝間段建基面在各工況下均未出現拉應力，壓應力值均小于地質提供的泥巖微、新巖體的1.20～2MPa允許承載力，各機組段的沉降量均不大于2cm，滿足規范要求。

本文的計算方法和計算結論為該水電站廠房的穩定性設計提供了科研依據，對同類水電站廠房的設計和施工也具有參考意義。