ABAQUS在水电站厂房地基应力分析中的应用

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

ABAQUS软件是目前国际上先进的大型通用非线性有限元分析软件，在工程领域得到了广泛的应用[1-5]，对岩土工程中的实际模型所取的各种边界条件以及土体的非线性本构关系有着很好的适应性[6]。地基应力分析往往是水电站厂房设计的重要课题。厂房地基面上所承受的最大正应力在任何情况下均不应超过地基的允许应力。本文以龙溪口水电站为例，利用ABAQUS软件对厂房的地基应力进行了分析。

1 工程概况

龙溪口水电站航电结合，兼顾防洪、供水、环保等综合利用。工程正常蓄水位317.00m，死水位316.00m，水库具有日调节性能。工程建成后，电站装机容量480MW，多年平均发电量20.20亿kW·h。

发电厂房布置于河道左侧，为河床式厂房，属挡水建筑物，左侧为鱼道坝段，右侧为泄洪闸坝段。发电厂房主要建筑物包括主机间坝段、安装间坝段、装卸场坝段、副厂房、拦沙坎、导墙、引水渠、尾水渠、主变及GIS 室内开关站等。厂内安装9台贯流式水轮发电机组，安装高程为289.50m，单机容量为53.34MW，总装机容量为480MW。厂房总长287.20m，其中主机间坝段203.20m、安装间坝段60.0m、装卸场坝段24m。除9号机组外，每两台机组之间设一永久沉降缝，共分5个机组坝段；安装间布置在主机间左侧，分为2个坝段(从左至右为安1号和安2号)。

2 地形地质情况

两岸坡属中低山—丘陵宽谷侵蚀地貌，河谷呈不对称的“U”形宽谷。两岸山体呈不对称状，左岸山势低矮，且较平缓，坡顶高程约358.00m，与河床高差约55m，自然坡度约为4°～21°；右岸山势较为陡峻、雄厚，坡顶高程约395m，与河床高差约92m，自然坡度约为39°～51°。该河段河谷左岸为堆积岸，河流阶地亦较为发育，且较完整，沿岸发育分布有河漫滩和Ⅰ级阶地，阶地高程约307.00～314.00m，基本完整，其地势平坦、开阔。

厂房地层岩性为侏罗系中统上沙溪庙组(J2s3-3):暗紫红色、暗紫色泥岩，粉砂质泥岩夹中厚层或团块状钙质长石砂岩、长石粉砂岩，砂岩含量约20%～30%，岩层产状为N55°～74°E/SE∠26°～43°，区内无断层切割以及褶皱发育的迹象。厂房主机间基础置于新鲜岩体内，其地基允许承载力为1.5～1.8MPa，变形模量为3.0～3.5GPa；厂房安装间基础置于中风化和微风化岩体之上，中风化岩体地基允许承载力为1.0～1.2MPa，变形模量为2.0～2.5GPa，微风化岩体地基允许承载力为1.5～1.8MPa，变形模量为3.0～3.5GPa。

3 数值模拟

3.1 计算工况

取3种工况计算：

工况1：上游设计水位+下游最低通航水位；

工况2：上游设计水位+下游设计尾水位；

工况3：上游校核水位+下游最低水位。

各水位如下：

上游设计洪水位(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台机满发)：301.10m；

下游设计洪水尾水位(P=1%)：315.73m。

3.2 建立模型

分别建立了9号机组段(一机一缝，边机组段)、3号和4号两台机组段(两机一缝，中间机组段)、厂房安装间段的三维有限元模型。模型中考虑了对厂房整体安全性影响较大的强风化、弱风化及微新的岩层，并对各类岩层进行了比较符合实际的模拟。厂房和基础网格大部分采用八节点六面体等参单元(C3D8单元)，只有少部分采用棱柱体过渡单元。

模型中x方向为沿坝纵向(正向由左岸指向右岸)、y方向为顺河向(正向由上游到下游)、z方向为竖直向。计算范围：沿坝踵向上游延伸150m，沿坝趾向下游延伸150m，沿建基面高程275.01m向基础深部延伸107m。有限元模型网格图见图1～图3。

图1 厂房9号一台机组段整体网格图

图2 厂房3号、4号两台机组段整体网格图

图3 安装间段整体网格图

施加的边界条件为：对基岩上、下游边界约束顺河向水平位移，坝左、右岸边界约束横河向水平位移，底部约束全部位移。

3.3 计算结果分析

3.3.1 3号、4号机组段(中间机组段)

由图4可知，在各种工况下，中间机组段建基面均未出现拉应力，压应力值范围为0.11～0.73MPa，最大值出现在建基面右上角点，最小值出现在左下角点。竖向沉降最大值为1.3cm。均满足厂房基底应力及沉降要求。

3.3.2 9号机组段(边机组段)

由图5可知，在各种工况下，边机组段建基面均未出现拉应力，压应力值范围为0.12～0.89MPa，最大值出现在建基面右上角点，最小值出现在左下角点。竖向沉降最大值为1.5cm。均满足厂房基底应力及沉降要求。

图4 中间机组段建基面z方向应力云图

图5 边机组段建基面z方向应力云图

3.3.3 安装间段

图6 安装间段建基面z方向应力云图

由图6可知，在各种工况下，安装间段建基面应力值最大值为0.82MPa，最大值出现在建基面右下角点。竖向沉降最大值为1.10cm。均满足厂房基底应力及沉降要求。

4 结 语

利用ABAQUS软件对龙溪口水电站厂房的地基应力进行了计算分析，计算结果表明：两台机机组段、一台机机组段和安装间段建基面在各工况下均未出现拉应力，压应力值均小于地质提供的泥岩微、新岩体的1.20～2MPa允许承载力，各机组段的沉降量均不大于2cm，满足规范要求。

本文的计算方法和计算结论为该水电站厂房的稳定性设计提供了科研依据，对同类水电站厂房的设计和施工也具有参考意义。