岸塔式進水口

岸塔式進水口位於輸水系統首部，其功能是按負荷要求引進發電用水。水電站進水口可分為有壓進水口及無壓進水口兩大類，其中有壓進水口又可以分為豎井式進水口、岸塔式進水口、塔式進水口及壩式進水口。

基本介紹

• 中文名：岸塔式進水口
• 外文名：Shore tower inlet
• 領域：能源
• 用途：進水
• 學科：電力工程
• 範圍：水力發電

介紹

岸塔式進水口位於輸水系統首部，其功能是按負荷要求引進發電用水。水電站進水口可分為有壓進水口及無壓進水口兩大類，其中有壓進水口又可以分為豎井式進水口、岸塔式進水口、塔式進水口及壩式進水口。

某水電站進水口為岸塔式進水口，總寬度為87.0 m，順水流方向長度為28.5 m，塔高34.0 m。進水口順水流方向分為攔污柵段和閘門段，塔頂設雙向門式啟閉機一台，用於起吊攔污柵和檢修門。本文以該水電站岸塔式進水口為算例，計算考慮進水口、地基、山體、水體之間相互作用下的水電站進水口在遭遇設計地震動及校核地震動情況下結構的靜、動力特性。以期對該進水口的施工及類似研究提供科學依據。

計算模型

根據進水口平面布置圖，建立了三維有限元計算模型。進水口邊墩、中墩、橫牆、樓板採用shell63 殼單元，梁結構採用beam188 單元，其他混凝土結構、地基採用實體solid45 單元，附加質量採用mass21 三方向質量單元。進水口齒槽底部高程為2 681.5 m，進水口前沿進水底板高程為2 690.0m；塔頂高程為2 721.0 m。為了避免地基對地震效應的放大作用以及地震波反射對結構的影響，半無限域地基按照傳統無質量地基模型進行模擬，底部採用固定約束，四周採用黏彈性邊界。

計算模型坐標選取如下：順水流水平方向為X 軸，指向下游為X 正方向；垂直X 軸水平方向作為Y 軸；豎直向上為Z 軸，Z 軸與X，Y 軸成右手定則。

計算荷載

計算荷載分靜力和動力兩種工況。其中靜力工況計算荷載分為：①結構自重；②塔體內外靜水壓力；③回填土壓力；④揚壓力；⑤風壓力；⑥浪壓力；⑦進水塔攔污柵前後水頭差取水壓差標準值4m 水頭。動力工況計算荷載主要考慮結構地震慣性力和塔體內外動水壓力對進水口結構整體動力回響的作用。動力計算考慮結構在順水流方向和橫水流方向兩個方向的地震作用，地震反應譜根據《水工建築物抗震設計規範》中規定選取。

計算方法

基本假設

在靜動力計算過程中採用了以下假設：①混凝土和岩體均認為是線彈性介質，不考慮其塑性變形效應；②一般測得的地震波大都為地表加速度波譜。鑒於有質量地基會對地震波產生放大和扭曲作用，計算借鑑抗震計算較為成熟的經驗，岩質地基部分採用無質量地基模型。

靜力分析

靜力計算採用有限單元法。有限單元法是利用彈性理論和計算機軟體求解數值方程的一種數值分析方法，也是解決大型複雜結構或者多自由度體系等工程實際問題一種非常有效的計算工具。

有限元分析中最基本的思想是單元離散，即將複雜的連續體結構剖分為數量和尺寸有限的若干單元，然後就各單元進行分析，最後集成求解整體位移，進而求解單元變形及內力。

塔體結構平面尺寸及斷面內混凝土實體部分面積均較大，加之邊墩與中墩上部有橫牆相互連線，中下部橫水流方向墩牆之間有橫樑支撐，順水流方向有縱梁與閘墩相連，使得塔體整體剛度相對較大，塔體固有頻率較高。主要薄弱構件是進水塔前端的攔污柵墩，地震反應較突出。

第一階自振頻率為6.5 Hz，對應自振周期為0.154 s，在地震反應譜卓越周期範圍（0.1～0.45 s）之內，但小於特徵周期Tg=0.45 s。塔體結構整體剛度較大，設計上對地震安全是有利的。

靜力成果分析

在靜力荷載作用下，最大靜位移發生在塔體樓板上，最大值為3.12 mm，變形量值不大。在正常蓄水位工況各種靜力荷載組合作用下，進水口有向上游傾倒變形的趨勢。上下遊方向和豎向位移對總位移起到主要貢獻作用。

通過有限元計算結果可以看出，閘門槽大體積混凝土結構以豎向壓應力為主，最大壓應力超過1.77 MPa。樓板以水平順河向正應力為主，最大值不超過1.0 MPa。橫牆以水平Y 向正應力為主，最大值0.98 MPa。攔污柵閘墩以自重產生的豎向壓應力為主，最大值1.8 MPa。各部位應力最大值均出現在構件的聯結部位，分布面積不大，屬局部應力集中現象。

動力成果分析

結構的總位移起決定性貢獻的是地震動作用方向的位移，垂直地震動作用方向的位移分量對總位移貢獻不大。在設計和校核地震動作用下，進水塔頂部位移較大，呈現出高聳懸臂結構的特徵。

進水塔地震鞭梢效應不顯著，是由於沒有設定機房等柔性較大的構件，且進水塔自身結構剛度較大的原因。

進水口結構地震應力不十分突出，說明塔體結構整體動態強度通過配筋設計等可以得到保證。局部應力集中現象不可避免，主要集中在攔污柵墩、不同斷面過渡和構件連線部位，這些部位大多是第一主應力出現的位置，是抗震設計需要重點關注的。

總結

1）塔體平面上作為矩形結構，各水平向抗彎剛度相差不大，比較對稱均勻。無塔頂機房塔體高度不十分大，且背部依靠山體，加之結構斷面尺寸及混凝土實體/空腔比例相對較大，塔體結構整體剛度較高，其自振頻率也就比較高。

結構第一階自振周期在地震卓越周期範圍內，但小於場地地震特徵周期，塔體結構設計對抗地震是有利的。

2）在靜力作用下，結構應力以壓應力為主，自重占主導作用，故豎向壓應力分量較大。由於背靠山體，水壓力作用效應相對不突出，結構水平向位移及應力均不大。

3）在設計和校核地震動單獨作用下，結構反應呈現懸臂高聳結構典型特徵，地震放大效應較為明顯，頂部位移相對較大。

由於塔體結構剛度較大，地震鞭梢效應並不十分突出。閘門槽處設計地震放大係數在4.5 左右，攔污柵墩由於橫向支撐較弱，最大橫河向地震放大係數在10 左右，相對於高度較大或有頂部機房的進水口而言，地震放大效應相對不十分顯著。

4）塔體結構地震應力不十分突出，說明塔體結構整體動態強度通過配筋設計等措施可以得到保證。局部應力集中不可避免，主要集中在攔污柵墩以及不同構件連線部位，是抗震設計需要重點關注的部位。