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对水电站调压井结构有限元分析云南水利水电建设工程技术开发有限公司650021摘要：在水电建筑物中，调压井是其重要构成部分，而且调压井结构的 稳定性将会对水电站的顺利运作产牛直接的影响紧跟着水利施工技术的不断进 步，调压井的结构变得越加复杂，其内径也在逐渐变大，而且，因为在水利施工 的时候，经常会出现地质条件不利于施工的情况木文主要阐述了水电站调压井 结构，并运用三维有限元对其进行计算分析关键词：水电站；调压井；结构1 .调压井的内涵1.1概况调压井也被称作压力井，水电站中的调压井主要是用于调节水压因为 水电站中的引水管一般都是很长的，为此，在机组突然关闭的时候，因为水流具 备一定的惯性，所以就会产生一定的水锤效应，就如同无压力井，水锤会损坏水 叶等的零件通过使用调压井，能够为水锤开通一条有效进行释放的通道，进而 可以促使水流经过所造成的压力的减少在水利工程中，由于建立一个调压室是 需要很高的成木的，而＞1•调压室的设计也是很复杂的，为此，在地形条件许可的 情况下，一般都是运用调压井因为调压井所具备的结构以及受力的特点，为此， 调压井不单单包含了其工作的性质，同时也具备了地下工程所要具备的特点。

就 结构而言，水电站的调压井通常都是由钢筋混凝土土筒构成的就比如某个调压 井它的井底内径是3.3米，但在引水洞的27米以上内径变成5.5米，而调压井在 地下的井壁应该是厚度为0.5米，而在地面上的厚度应该为0.3米其中，图一 是这个调压井的剖图1.2计算调压井的目的及其内容在对调压井的喷护采取初步的探究时要用到弹性力学以及结构力学，通 过两个力学的有效运用可以得出应当运用长度为2.4米的SW ELLEX型锚杆以及 10厘米的混凝土喷层采取喷锚支护在计算调压井的时候，要按照有限元的计 算结果，有效的对喷层以及锚杆进行合理的分析，进而能够有效的检验其是不是 符合结构强度的需要除此之外，在运用三维有限元对调压井结构进行分析的时 候，也要运用两种混凝土的应力对调压井进行计算第一种是地震加上自重，第 二种是地震加上最高涌浪水压按照其计算的结果，合理的对井壁的内力进行计 算，进而能够为配筋提供有效的根据，最终能够制定有效的配筋计划，并能够符 合结构强度的需要2.有限元计算的方式以及模型在对有限元进行计算吋，一般都会运用ANSYS分析软件，而且，在水 力水电中，这个软件也得到普遍的应用，因为这个软件能够对工程的计算进行检 验，从而能够促使其偏差度在规定的范围内，为此，这个软件也越来越受到欢迎。

2.1对全部单位和材料进行计算对于计算有限元而言，一定要利用合适的单元模型，同吋要具有一定的 计算精度以及计算效率按照调压井每一个位置的几何特征，如果运用ANSUS 软件对50厘米的混凝土衬砌进行分析，通常都是运用弹性本构模型，如果对基 岩进行分析，就要把基岩看成弹塑性介质，同吋要运用Druck-er-prager原则如 果运用Iink8杆模拟对2.4米的锚杆进行分析，就一定要考虑其弹性如果运用 shell63对10厘米厚的喷层进行模拟，通常情况都是运用弹性本构模型2.2计算有限元模型由于在计算有限元的时候，为了确保其精度，一定要注重对模型的选择, 其中主要是选择材料的参数以及建立有限元模型对于调压井来说，般情况下 有两种模型手段第一，当需要对全部的底部引水管以及井壁进行了解的吋候, 尤其是在了解受力情况的时候，有限元模型一定要包含引水管以及井壁在内，而 锚杆的模拟能够运用促使锚杆强度参数提高的方法，即要提高单元强度参数，从 而起到加固的效果，通常而言，需要提高到20%-30%左右第二，当要清楚锚杆 以及井壁的受力情况的时候，要在模型中明确锚杆的位置，因为调压井般都是 很深的，为此，要按照圣维南原理，从而能够促使有限元模型的建立，同时也能 省略引水管。

因为计算有限元的目的在于明确井壁、喷层以及锚杆的受力情况, 为此，在建立调压井模型的吋候，可以运用上述的第二种方法在建立有限元计算模型的吋候，应当运用柱坐标系，即以调压井径向为 X轴，以切向为Y轴，以高度为Z轴，而且坐标的原点要在调压井底部的圆心位 置，高程应该是974米在运用模拟金酸调压井的是婚后，要在调压井的底部一 直延伸到50米，同吋要在中轴线中向径向延长到50米同吋，也要约束有限元 计算模型，即在底部中添加三向对计算模型进行约束，在计算墨西哥的边界面要 添加法向链杆进行约束而对于有限元的网格来说，要有20843个节点，同吋要 有6120个混凝土衬砌以及11800个基岩单元，此外，也要具备1080个喷层单位2.3岩体、锚杆、混凝土的物理力学指标材料弹性模量泊松比容量涉及抗压强度设计抗拉强度混凝土 C20 25.5 0.167 25.0 9.6 1.10喷层 22.0 0.20 25.0 20.0 1.74锚杆 207.0 0.25 78.0岩体 高程 1013-1038M 7.5 0.30 22.0高程 978-1013M 12.5 0.27 22.5高程 978M 以下 16.5 0.25 23.02.4计算地震动力在分析调压井结构地震响应的吋候，应当运用振型分解反应谱法，首先, 要分析结构本身，从而能够获取大结构的自振频率以及动力特征，同吋，在得到 相关数据的基础上，要对结构运用地震反应谱，从而能够在反应谱中得到结构中 不同的响应，然后，要运用SRSS法得到结构的整体地震响应。

运用这种方式能 够有效的设计结构的反应谱，从而能够得出地震峰值加速度应该是0.17克，而 且特征周期的值应该是0.30s一般而言，计算的反应谱如图三所示3.计算调压井有限元的结果3.1分析总体应力分布就最高涌浪水位的影响力而言，第一主应力基本实在-12.l-19.7Pa范围 内，在调压井顶板中所出现的小范围的拉应力区，其至比较多的围岩都出现在压 应力区中，其中，最大压应力是在调压井与交通洞汇聚的地方，最大拉应力会出 现在引水隧道洞靠近山体得位置而第三主应力是在-71.8-3.22MPA的范围内， 调压井的围岩在-5.12-3.22MPS的范围内，而II最人的压应力应该会出现在调压 井和交通洞汇合的位置3.2计算锚杆有限元通过计算有限元的结果，能够知道轴力最人的锚杆应该是在调压井高程 的1002m处，而且其轴力要达到46.7KN,然而要低于100KN的设计抗拔力，为 此，运用这种方式选取锚杆是十分合理的并能确保安全3.3计算10厘米厚的钢纤维混凝土喷层有限元就钢纤维混凝土喷层环向应力等值线来看（图四），就可得知钢纤维混 凝土喷层的环向受拉，其中，在调压井渐变段中拉应力应该是1.56MPa,在调压 井底端的拉应力应该是1.62MPa,因为钢纤维混凝土喷层的抗拉强度是1.74MPa, 为此，在这个喷层在开挖的时候是安全的。

3.4计算衬砌有限元就工况一而言，在地震加上自重的现状下，衬砌的环向应力都是很小的, 为此，工况一并非控制工况，为此，在本文中将省略其计算结果就工况二而言， 即地震情况下的衬砌应力加上调压井最高的水压即1053.19米其中，图五是工 况二的剖面应力等值图3.5计算井壁内力得出应力结果后，要按照有限元元件进行合理的处理，从而得出相关的 内力，最终有利于计算井壁的配筋就调压井的结构而言，计算配筋时要包含垂 直直向以及水平向在内就水平来说，在得出每一个高程的拉力的以及力矩的吋 候，就能够按照受拉构件进行计算配筋以及抗裂而且要对力矩以及应力进行科 学的积分对于垂直分析来说，也要计算力矩以及压力，从而可以按照偏心受压构件计算出配筋4 •结语综上所述，本文主要是运用有限元来计算调压井结构体，同时也分析了 调压井的三个受力主体，即衬砌、喷层以及锚杆，并通过分析其受力的现状，有 效的对设计工作进行指导同吋，在进行计算的吋候，也包含了九个开挖吋候的 荷载步以及一个初始的荷载步，并运用了动态的模拟，从而能够有效的解决水电 站调压井施工时所出现的问题参考文献：[1]王栋•调压井结构有限元分析[J]・陕西省水利电力勘测设计研究院，2013⑵陆雪萍•水电找调压井结构有限元分析[J]•昆明理工大学，2013[3] 蔡晓鸿，蔡勇斌，蔡勇平著，水工压力隧洞与坝下涵管结构应力计算，2013[4] 龚曙光，谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程[M].北京：机械工业出版社, 2010。