摘 要：对龙羊峡水电站厂前区出线楼进行三维有限元分析，得到了在泥石流及山洪爆发的各种荷载工况下，出线楼的位移、应力、内力成果，并对原有设计进行校核，给出了强度及安全评估，为出线楼的补强设计提供了依据。
关键词：出线楼；三维有限元；强度
龙羊峡水电站厂前区由进厂门厅、联络廊道、回车场、北大山沟挡墙、330 kV出线楼等组成，依山傍水，为水电站厂内交通中枢。
1997年北大山沟发生泥石流灾害，碎石（含大块巨石）及泥浆越过出线楼，给下游交通廊道进厂门厅造成损害及人员伤亡。泥石流将墙前山谷填满并将出线楼填塞，严重威胁到厂前区的安全。一旦挡墙坍溃或出线楼倒塌，将直接影响电厂的运行。对挡墙及出线楼进行强度分析及安全评估，已成为电厂抗灾防灾的紧迫问题。
本文采用3D－FEM技术，在对挡墙及出线楼整体进行了非线性有限元分析的基础上，又单独对出线楼进行了强度和安全分析，为补强设计提供理论依据。
1 离散模型
1．1 简化假定
（1）出线楼顶部钢桁架的各部分按等刚度连杆处理；
（2）出线楼墙体相对单薄，其结构刚度远远小于挡墙。为简化分析，在单独研究出线楼强度安全时，假定出线楼墙底刚性固定在挡墙顶，墙顶位移将作为出线楼的附加刚体位移；
（3）不计挡墙变形对出线楼的影响。
1．2 离散模型
取出线楼全长72 m作整体空间有限元分析。楼底高程2 492．0 m，楼顶高程2 510．0 m，楼高18 m。不同高程隔墙厚度t′，下游面板厚度t尺寸如表1所示（图1）。
计算中采用了两种离散模型：
模型1：刚架柱采用刚结杆单元；顶部纵、横钢桁架为两端铰结的弹性连杆；隔墙及面板采用具有6个结点位移自由度的厚板元；
模型2：刚架柱及顶部纵、横钢桁架采用刚结杆单元；隔墙及面板采用八结点六面体等参元。
对比计算表明：模型2的应力及变形分布，在定性及定量两方面，与原结构配筋设计时的结果相近，故安全评估分析以模型2的计算成果为主要依据。
整体坐标系取x轴沿坝轴线指向左岸为正，y轴指向上为正，z轴指向下游为正。有限元离散模型如图2所示。
2 荷载及工况
2．1 计算荷载
（1）自重A1；
（2）干堆渣主动渣压力：分别按堆渣高程为2 510．0、2 501．4 m考虑；
（3）湿堆渣及浸水压力：分别按堆渣高程为2 510．0、2 501．4 m，在不同浸水层水面高程下计算出线楼下游侧墙所受静水压力及浸水后湿渣主动渣压力；
（4）水平地震惯性力A4：按挡墙计算结果，取出线楼水平地震惯性力为Pi＝1．631 Vi，并按常体力施加在出线楼全部墙体单元；
（5）地震时上游蓄水及浸水堆渣的水平地震激荡力。
2．2 荷载组合工况
工况一：A1＋堆渣高程2 510．0 m的干渣主动土压力A2；
工况二：A1＋堆渣高程及挡水位为2 510．0 m的浸水堆渣土压力、水压力A3；
工况三：满干渣运行期地震情况，A1＋A2＋A4；
工况四：满楼顶浸水地震情况：A1＋A3＋A4；
工况五：A1＋堆渣高程2 501．4 m的干渣主动土压力A5；
工况六：A1＋堆渣高程及挡水位为2 501．4 m的浸水堆渣土压力、水压力A6；
工况七：A1＋堆渣高程2 501．4 m的浸水堆渣主动土压力及挡水位为2 510．0 m的水压力A7；
工况八：工况六＋A4；
工况九：A1＋堆渣高程2 510．0 m的土压力A8及蓄水位为2 501．4 m的水压力。
以上荷载工况，考虑了当前实际堆渣情况及发生泥石流山洪自然灾害时，出线楼可能遇到的各种受力情况。
3 计算成果
3．1 位移分析
各种工况的位移分布相同，仅量值稍有差异。最大位移发生在中跨跨中顶点。最大顺河向水平位移wmax＝4．12 cm（z方向），发生在工况四中跨楼顶处。其他x、y两个方向的位移值u、v皆远远小于z方向的w。
3．2 应力成果
3．2．1 面板应力分析
下游面板是底边固定、顶边自由、两边弹性支撑（隔墙）的矩形板。最危险断面为中跨跨中楼顶截面，工况四的下游面水平拉应力达σxmax＝8．72MPa，边跨跨中垂直截面底部最大垂直拉应力σymax＝4．08 MPa。本文仅给出楼顶部分水平截面水平应力（σx）及x＝36 m中跨跨中垂直截面上沿高程的水平应力（σx）和垂直应力（σy）分布（表2、表3、表4）。
3．2．2 隔墙建基面应力分布
将隔墙看作是上游面承受水压力的重力坝，计算表明，在上游坝踵（z＝0，y＝0）处产生较大拉应力，中间隔墙沿建基面最大垂直正应力σymax＝7．67 MPa（工况四）。计算结果表明：除工况五外，在其他各种工况下，坝踵拉应力已超过混凝土允许抗拉强度（1．5 MPa），坝踵有拉裂破坏的可能。但实际上已全部被堆渣掩埋，故不易被观察到，应予以关注。
3．3 配筋校核
由表2、表3及表4，取各工况上、下游应力最大值的墙顶水平截面（y＝18 m）及工况四的中跨跨中垂直截面（x＝36 m），将各截面应力值按
换算成水平弯矩My、水平轴力Nx及垂直弯矩Mx、垂直轴力Ny，然后按偏心拉、压构件对原配筋设计进行校核。
4 结 论
（1）出线楼在干渣淤满情况下是安全的。当浸水后，拉应力急剧增加。因其刚度较小，故地震惯性力及浸水激荡力影响不大。可见，引起混凝土拉裂破坏的主要原因是浸水后的水压力。因此，增设排水设施，尽量降低浸水水位是保证楼体强度安全必须考虑的问题。
（2）由表2、表3、表3可见：
1）除自重及半库干渣（工况五）外，在其他工况下墙顶水平拉应力σx皆超过1．5 MPa；而在工况一、二、三、四、七、九情况下，高程2 504．4处的水平拉应力超过1．5 MPa。表明：2 504．4高程以上在大多数工况下混凝土可能发生垂直开裂破坏。
2）中跨跨中截面各高程垂直应力σy值表明，工况二、工况四及工况七情况下，墙顶下游面及墙底（建基面）上游面，垂直应力σy超过1．5 MPa，故可能发生水平开裂破坏。
（3）在目前堆渣高程不变的情况下，分析工况五、六、七边跨顶部下游面正应力σx的变化可知，在堆渣高程为2 501．4 m，楼前蓄水位约2 505．0 m，应力值即达到1．5 MPa。表明：如堆渣高程不再增加，楼前蓄水位不能超过2 505．0 m（混凝土抗拉破坏的极限值）。
（4）按照偏心拉、压构件对楼顶水平截面及中跨跨中垂直截面进行配筋设计，结果表明：目前已竣工的实际配筋量在各种工况下几乎都不能满足强度要求，除工况一、工况五、工况六外，其他工况下皆有可能坍塌，必须给予严重关切！
（5）最可能发生的荷载组合情况是：工况五、工况六、工况九，这三种工况发生的机率可能最大。其中：工况五是当前运行状态，是强度安全的；工况六是当前堆渣情况出现不太大的洪水时，将有超过1．5 MPa的水平及垂直拉应力，虽然可能出现水平及垂直裂纹，但计入钢筋的作用，基本上仍是强度安全的；工况九是堆渣增高至楼顶又有半库蓄水时，即不能保证结构的强度安全，建议在补强设计时，以工况六或工况九为设计荷载。
致谢 本文在完成过程中，得到西安电力试验研究所魏茂基、王延斌高级工程师的支持及指导，深表感谢！
［1］ 江见鲸等．工程结构计算机仿真分析［M］．北京：清华大学出版社，1996．
［2］ 杨菊生，揽生瑞，李守义等．河床式水电站结构分析与结构特性研究［J］．西安理工大学学报，1994，10（4）． |
