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三维有限元计算在大型水池中的应用

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三维有限元计算在大型水池中的应用
郑国洪1，解永翠2，鲁德标3
（1.云南省环境科学研究院,云南 昆明 650034；2.云南省水利水电科学研究院,云南 昆明 650021；3.中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院,
云南 昆明 650051）
摘　要：石屏县污水处理厂（马宝龙）调蓄池为地下全埋式水池，地下水位较高，在考虑结构安全情况下还应考虑抗浮计算。

水池为墙、板、梁、柱结构，结构较复杂，主要采用佳构（strat）有限元软件进行计算，还需pkpm 作为辅助计算完成。

关键词：水池；结构；三维有限元；结构计算；位移；应力；配筋
中图分类号：TV314 文献标识码：A 文章编号：1006-3951(2016)03-0059-02DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2016.03.017
Application of 3D Finite Element Calculation to Design of a Large Water Pool
ZHENG Guo-hong 1, XIE Yong-cui 2, LU De-biao 3
(1.Yunnan Province Environmental Science Research Institute Kunming 650034, Yunnan, China; 2. Yunnan Province Water Conservancy and Hydropower Science Research Institute, Kunming 650021, Yunnan, China; 3.
China Power Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China)
Abstract: The storage pool of Shiping County Ef fl uent Plant(Mabaolong) is an underground fully buried pool with a high underground water level and the fl oatation calculation should be taken into account under the condition of safe structure in its design. The pool is of a complex structure composed of walls, plates, beams and columns and its structural calculation was completed mainly with the STRAT fi nite element software with the aid of pkpm.Key words: pool; structure; 3D fi nite element; structural calculation; displacement; stress; reinforcement
收稿日期：2016-02-22
作者简介：郑国洪(1978)，男，云南宾川人，工程师，主要从事结构设计工作。

*
云南水力发电
YUNNAN WATER POWER
第32卷第3 期1 工程概况
石屏县污水处理厂（马宝龙）处理规模为1×104
m 3
/d 扩建工程，在现有丁家寨污水处理厂暂停运行的前提下，马宝龙对污水厂进行扩建，实施后石屏县城污水厂处理规模达到2×104m 3/d。

处理后达到GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》三级标准。

2 水池基本资料
水池长×宽(36.3m×36.3m)，高4.65m，容积5 100m 3；水池壁厚0.35m，底板厚0.45m，顶板厚0.2m，布置25根高×宽(0.4m×0.4m)，间排距6m，高4.2m 的柱，柱上布置主梁，主梁宽×高(0.3m×0.6m)，主梁间布置次梁，次梁宽×高(0.25m×0.5m)。

水池为全地埋式水池，水池抗浮水位为地面水位，高3.95m，水池顶填
土0.5m。

水池基础地质为第四系全更新统冲湖积层（Q 4al+l ），持力层主要为淤泥质土、泥炭质土、粉质粘土。

3 三维有限元计算模型
水池是由顶盖、池壁及底板等矩形薄板组成的空间箱形结构，受荷情况较为复杂，并且水池相邻池壁、底板与池壁、底板与地基之间等存在着相互约束作用。

对于贮液结构来说，裂缝控制要求较高，因此在计算内力和变形时，一般假设材料是正交各向异性的匀质连续弹性体，而忽略混凝土材料的非匀质性、塑性和裂缝的影响，在设计矩形水池时，采用弹性薄板理论进行计算。

以有限元分析软件strat，对该水池在内水压力、外水压力，土压力等工况下的受力进行分析。

模
60
型见图1。

4 荷载分析
水池主要受顶板土压力，侧壁土压力，外水压力，内水压力。

水池为地埋式水池根据《给排水工程结构设计手册》不考虑地震作用。

荷载主要组合为：①内水压力+恒载（水池自重）+活荷载;②外水压力+恒载（水池自重+土压力）+活荷载;③内水压力+外水压力+恒载（水池自重+土压力）+活荷载。

5 计算结果及分析
计算结果分析为2组外水压力情况为最不利情况。

5.1 水池位移变形
水池侧壁在最不利荷载工况下，Y 向最大变形0.6mm，X 向位移0.1mm，Z 向(垂直板面)最大变形9.2mm。

水池内水工况变形情况见图2；水池外水工况变形情况见图3。

5.2 水池板配筋
经有限元软件计算，选择模型中前视板进行分析，在冲水实验工况下（内水工况）及检修工
况下（外水及土压力工况）板的应力分析，软件自动给出每米配筋量，以下8种情况为板的应力分析并给出配筋量：水池在正常运行工况下内外水压力平衡，有利水池结构安全，此工况计算不作介绍。

1）在冲水实验工况下，内侧面应力较小，内
侧面X 向每米配筋按构造配筋。

2）在冲水实验工况下，外侧面应力较大，外侧面X 向按每米8cm 2配筋。

3）在冲水实验工况下，内侧面应力较小，内侧面Y 向每平米配筋按构造配筋。

4）在冲水实验工况下，外侧面应力较大，外侧面Y 向按每米8cm 2配盘。

5）在检修工况下，内侧面应力较大，内侧面X 向按每米8cm 2配筋。

6）在检修工况下，外侧面应力较小，外侧面X 向每米按构造配筋。

7）在检修工况下，内侧面应力较大，内侧面Y 向按每米8cm 2配筋。

8）在检修工况下，外侧面应力较小，外侧面Y 向每米按构造配筋。

以上计算配筋按板的大面配筋计算，考虑到板的局部配筋大于大面配筋，建议配筋按高应力区配筋计算配筋，见表1。

6 结语
石屏污水处理厂蓄水池进行三维有限元计算，分析了结构在各工况及最不利工况下各板的位移、变形、应力规律及量值，并对高应力区进行配筋计算，作为结构体形及配筋设计依据。

strat 有限元计算能清楚的分析水池在各工况下各板的变形、应力集中区域，并给与配筋。

参考文献：
[1] GB 5011-2010建筑抗震设计规范[S].[2] GB 5010-2010混凝土结构设计规范[S].
[3] GB 5009-2012建筑结构荷载规范[S].[4] GB 5009-2012建筑地基基础设计规范[S].
图
1 水池三维有限元计算模型
云南水力发电2016 年第3 期
图
2 水池内水工况变形情况图
图
3 水池外水工况变形情况图
表1 高应力区主筋配筋计算简表
2
侧壁底面1000
16@200侧壁与顶板拐角1800（含顶板面筋）16@200侧壁与底板拐角
1800（含底板面筋）
16@200底板顶面90016@200。

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欧田水库大坝三维有限元渗流分析

欧田水库大坝三维有限元渗流分析

１ ． ２ ｍ） ，坝 长 ８ ８ ． ８ ｍ ，坝 顶 宽 度 ５ ｍ ，上游 坝坡 １ ：０ ． １ ，下 游坝坡 １ ： ０ ． ７ ５， 上游面浆砌石厚 ｌ ｍ， 后面设置 ６ ０ ￣ １ ０ ０ ｃ ｍ 厚 的混 凝 土 防渗 墙 。
二 、 三 维 有 限 元 计 算
１计 算原 理
摘 要 ：针 对 欧 田 水库 大 坝 出现 的 渗 流 稳 定 问 题 ，文 中采 用 三 维 有 限元 法 对 大 坝 渗 流 场 进 行 计 算 分 析 ，并 讨 论 在 正
常蓄水位 下的四种 不同防渗措施 ，得到 四种 防渗措施 的溢 出点高程 、浸润线的各节点水头、渗透 比降及渗 流量。通
根 据 坝 体 和 坝 基 材 料 特 性 ，及 采 取 方 案 的 不 同 ，将 计 算 区 域 划 分 为 坝 身 浆 砌 石 、 混 凝 土 、 弱风 化 层 、 浆 液 和 土 工 膜 等五 种 材 料 。各 种 材 料 的 渗 透 系 数 见 表 １ 。
表 １ 材 料 渗 透 系 数
渗 流 控 制 是 水 利 水 电 工 程 中极 为 重 要 的课 题 ，它 直 接 影
响到大坝 的安全稳 定 ，关系到人 民生命 财产的安危 ，所设计 的工程能否 安全 可靠 和经济合理 ，在很大程 度上取决于能否 正确进行渗 流分析和合 理的选择 防渗 措施［ １ １ 。笔 者采用三维 有限元计算程序 ，对 欧 田水库大坝进行 渗流计算 ，得 出不 同
保 了大坝正常运行 。在运 行过程 中，对危 害大坝 的一些 安全 隐患进行及 时维修 处理 ，取得 了一定效果 ，但 限于资金 等原 因，在一定程度 上还存在问题 ，如 防渗墙 遭受多年冲蚀 ，防
渗 效 果 不 能 满 足 防 渗 要 求 。针 对 大 坝 出现 的 渗 流 稳 定 问 题 ， 本 文 计 算 分 析 主 要 研 究 以下 ４个 方 案 ，上 游 水 位 取 ２ ２ ５ ｍ， 下游水位取 １ ８ ３ ｍ ，渗 透 系 数 如 表 １所 示 。 方案 １ ：无 防渗 措 施 。 方案 ２ ：在 距 上 游 面 ３ ． ５ ｍ 处进 行 灌 浆 ，并 在 基 岩 处 设
有限元分析在大型水池结构设计中的应用

有限元分析在大型水池结构设计中的应用

有限元分析在大型水池结构设计中的应用摘要：本文首先分析了大型水池结构设计的方法与特点，重点分析了大型水池结构设计的荷载组合以及内力的计算方式，从而使得水池的结构能够在理论上符合强调的要求，然后以某大型矩形水池的为例，运用有限元分析的方法对水池的结构进行了定量的设计分析，以期为实践施工提供参考。

关键字：有限元分析；大型水池结构；设计；应用中图分类号：s611 文献标识码：a 文章编号：目前，对于大型水池结构的设计，主要还是以倒楼盖法和静定分析法为主导的简化方法进行设计的计算，两种计算方法的共同点是把组成水池结构的地基、池壁及底板分离出来，各自作为单独的结构单元，然后分别对其进行独立力学分析与计算，这种计算方式对于大型水池而言的主要缺点在于很难准确的模拟出水池整体结构的实践工作状态。

本文将以有限元分析方法作为理论基础，运用ansys软件对某大型矩形水池进行结构设计上的具体分析，从而提出一种新的大型水池结构设计理论。

1.水池结构设计分析在运用有限元分析方法之前，首先是对大型水池的具体结构设计方法与特点进行基础性的分析。

1.1大型水池的荷载与内力组合（1）水池结构的作用概述结构上的自重标准值，主要是按照组成构建的实际大小进行计算，构件的体积与对应材料容重的乘积（其中素混凝土容重：23kn/m3，钢筋混凝土容重：25kn/m3）；竖直方向上土压力标准值，地下式水池在池顶板上的作用土压力用有效覆土厚度进行计算，在水池顶板的长度大于宽度10倍以上时，应将算出的土压力值与压力系数（1.2）相乘（覆土容重：18kn/m3）；侧向上土压力标准值，在计算过程中，对水池中位于水位之上部分的侧向土压力应根据郎肯主动公式进行计算，（土的容重：18kn/m3），而对于水位之下的部分的土压力应取静止状态的地下水水压力与主动土压力之和，（土的容重：10kn/m3）。

（2）水池之内的水压力水池之内的水压力依据设计水位自身的静水压进行计算（静水的容重：10kn/m3）；顶板上的荷载标准值，在不上人的情况下水池顶板上的活荷载标准值为0.7kn/m3，其准永久系数是0，而上人情况下荷载标准值为1.5kn/m3，这时准永久系数是0.4；（3）施工设备机具的荷载施工设备机具荷载主要依据施工条件进行验算，标准值根据设备机具的使用重量而不同，其准永久系数是0。

拉拉山水电站进水塔三维动力有限元分析

拉拉山水电站进水塔三维动力有限元分析

拉拉山水电站进水塔三维动力有限元分析进水塔结构复杂，在高地震烈度区表现为复杂的动力特性，塔体结构的稳定性直接关系到结构的安全性及设计的合理性。

文章采用三维动力有限元的方法，通过在人工边界上输入实测地震波来模拟地震作用，得到了进水塔结构动位移和动应力响应，并基于有限元计算结果进行了进水塔稳定性分析。

计算结果表明，拉拉山水电站进水塔在地震作用下是稳定的。

标签：进水塔；有限元；动力分析1 工程概况拉拉山水电站位于甘孜州巴塘县境内，电站为引水式开发，该电站位于巴楚河中游河段上，工程河段上起松多，下止措松龙，河段长23.5km，天然落差225m。

电站闸址位于松多乡松多村，正常蓄水位3004.00m，相应库容106万m3，电站装机容量96MW，具有日调节性能。

电站进水塔紧靠排污闸布置于左岸，进口分水角为64°51’59”。

进水口由喇叭口、拦污栅、进水闸组成，总长36.2m。

2 岩体及混凝土静、动力学参数3 进水塔抗震分析及评价3.1 计算方法及假定利用ANSYS有限元分析程序建立三维有限元模型，地震作用采用时程分析法。

本次分析计算中所利用的时间历程分析理论的基本假定有：（1）库水假定为不可压缩流体，因此库水对进水塔的动力作用即相当于附加质量。

（2）地基为均匀体，并人为地截取一条边界作为地震输入边界。

在计算中假定地震运动沿人工边界均匀输入。

（3）假定人工边界范围以内的地基是“无质量地基”，在形成整个系统的特征矩阵时，地基单元只考虑弹性，不考虑质量，以消除波的传播效应，避免人为的放大作用。

3.2 地震波的选取地震波是一个频带较宽的非平稳随机振动，受各种因素影响而变化，采用时程法对结构进行地震分析时，输入地震波不同，所得的地震反应相差较大，因此，合理选择地震波进行直接动力分析是保证计算可靠性的重要保证。

拉拉山水电站的场地类别属于III类，工程场地的地震基本烈度为Ⅷ度，进水塔未来50年超越概率为10%基岩地震动峰值加速度 1.85m/s2，特征周期为0.4s，进水塔抗震分析计算中选择场地实测波进行计算，本次计算考虑水平向地震波。

大型水闸三维有限元抗滑稳定分析

大型水闸三维有限元抗滑稳定分析

大型水闸三维有限元抗滑稳定分析[摘要] 本文对新疆叶尔羌河中游渠首工程泄洪闸闸室结构和地基采用大型有限元软件ANSYS进行三维有限元抗滑稳定静、动力分析，静力分析采用弹性材料进行模拟，动力分析采用模态分析并结合反应谱法进行计算。

计算结果表明各工况下闸室结构抗滑稳定满足要求，可以直接为工程设计服务。

[关键词] 大型水闸三维有限元抗滑稳定分析1.工程概况新疆叶尔羌河中游渠首工程属大（2）型、Ⅱ等工程。

渠首由泄洪闸、进水闸、溢流堰兼西岸输水涵洞和上、下游导流堤、分流墙组成，枢纽总布置型式采用一字型闸堰结合型式。

泄洪闸为主体建筑物之一，为2级建筑物。

枢纽区距伽师强震区较近，地震设计烈度为7度，正常水位1192.25米，校核洪水位1193.99米。

闸基主要持力层为粉细砂层（Q4-1al+pl），泄洪闸闸室结构为普通钢筋混凝土结构，闸底板采用折线形，结构受力复杂，对闸室结构抗滑稳定不利[1]。

2.计算工况、荷载及其组合2.1 计算工况计算时主要考虑下面四种工况：工况1：完建工况工况2：正常运行工况工况3：校核洪水位工况工况4：地震工况2.2 计算荷载及其组合荷载计算主要包括闸室及上部结构自重、静水压力、水重、闸底板所受扬压力、浪压力及地震荷载。

荷载施加的具体情况如下：（1）在闸墩上游侧按工况施加静水压力、浪压力和泥沙压力。

（2）在闸墩下游侧按工况施加静水压力。

（3）按不同工况考虑闸室底板承受的水重和扬压力（采用改进阻力系数法计算水闸底板渗透压力）。

（4）将闸门所受荷载直接加在闸门槽上。

（5）按设计情况考虑闸门自重。

（6）土体自重均按饱和容重计算。

（7）闸室结构自重按钢筋混凝土容重计算。

计算时完建工况和正常运行工况为基本组合，校核洪水位工况和地震情况为特殊组合。

需计算的荷载见表1[2]。

3.计算方法3.1 基于三维有限元的静动力计算利用ANSYS有限元软件进行闸室结构和地基稳定的三维静动力稳定性分析，计算中将材料按弹性介质进行处理。