大型水電站蝸殼保壓值的優(yōu)化分析＊

郭 濤 張立翔 姚 激

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650224）

0 前 言

隨著能源需求的不斷增加，擬建或建成了大批高水頭、大容量水電站，發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量越來(lái)越大，蝸殼的HD值也急劇增長(zhǎng)，水電站結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行面臨新的挑戰(zhàn).目前較常見(jiàn)的蝸殼結(jié)構(gòu)有：直埋、墊層埋設(shè)和充水保壓蝸殼結(jié)構(gòu).它們的主要區(qū)別在于聯(lián)合承載的方式和程度各有不同.充水保壓蝸殼結(jié)構(gòu)屬于一種部分聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)，可以有效的控制和調(diào)節(jié)鋼蝸殼與外圍混凝土的承載比例，充分發(fā)揮鋼蝸殼的承載優(yōu)勢(shì)，減少外圍混凝土的開(kāi)裂和配筋，而且又滿足了廠房下部結(jié)構(gòu)的整體剛度要求，再者，由于蝸殼內(nèi)部水體的重力作用可以有效的避免鋼蝸殼的上浮，省去了外圍混凝土澆筑時(shí)對(duì)鋼蝸殼的一些拉錨結(jié)構(gòu)，因此，充水保壓蝸殼有利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行和便于施工.尤其對(duì)大型機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組更重要，因此在國(guó)內(nèi)外被廣泛的采用［1］.如國(guó)外的大古里電站、伊泰普電站、麥卡電站、拉格朗德二級(jí)、丘吉爾瀑布.國(guó)內(nèi)的二灘、三峽左岸、小灣及潘家口電站的抽水蓄能機(jī)組，天荒坪、十三陵、廣州等抽水蓄能電站等，均采用充水保壓蝸殼.充水保壓蝸殼結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵的問(wèn)題在于保壓值的選取，不僅決定了鋼蝸殼和混凝土之間的承載比例，還關(guān)系著電站廠房的振動(dòng)和變行，因此選擇合理的保壓值，是確保大型水電站機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一.

1 計(jì)算方法

目前針對(duì)保壓值優(yōu)化的研究，判斷準(zhǔn)則主要偏向于蝸殼外圍混凝土應(yīng)力的大小，對(duì)鋼蝸殼和座環(huán)上的應(yīng)力及位移分布考慮較少，尤其對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的研究甚少.其實(shí)鋼蝸殼膨脹時(shí)產(chǎn)生的位移沿蝸殼軸線和子午斷面各部位都極不均勻，因此鋼蝸殼和外圍混凝土很難達(dá)到完全貼合，若脫開(kāi)縫隙過(guò)大，削弱了結(jié)構(gòu)的整體剛度，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，容易產(chǎn)生共振.但由于鋼蝸殼和外圍混凝土的貼合計(jì)算涉及到大量的接觸和不為人知的諸如溫度等非線性的影響，因此蝸殼與外圍混凝土之間的貼合狀態(tài)對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的影響目前僅局限于定性描述，很難通過(guò)定量的模擬脫開(kāi)縫隙對(duì)整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響來(lái)優(yōu)選保壓值的大小.確切的說(shuō)，保壓值的選取研究，目前只局限于調(diào)節(jié)鋼蝸殼與外圍混凝土的承載比例，即外圍混凝土的應(yīng)力分析（簡(jiǎn)化算法），對(duì)于脫開(kāi)縫隙對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響和應(yīng)力分析，即仿真算法仍屬于前沿問(wèn)題.

保壓蝸殼結(jié)構(gòu)在數(shù)值計(jì)算中主要有2種算法，即簡(jiǎn)化算法和仿真方法［2］.簡(jiǎn)化算法實(shí)用和簡(jiǎn)單，工程應(yīng)用實(shí)踐較多，它忽略了蝸殼與混凝土間的接觸和初始縫隙對(duì)蝸殼結(jié)構(gòu)的影響，假設(shè)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，鋼蝸殼與外圍混凝土完全聯(lián)合承載（兩者緊貼），認(rèn)為計(jì)算超出保壓水頭那部分剩余水壓力作用下，所得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力就是運(yùn)行工況下外圍混凝上的真實(shí)應(yīng)力，通過(guò)對(duì)該應(yīng)力的分析比較，確定最優(yōu)保壓值.至于忽略了初始縫隙對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響所帶來(lái)的誤差影響，據(jù)研究結(jié)果和實(shí)際工程觀測(cè)資料顯示，簡(jiǎn)化算法得到的蝸殼外圍混凝土應(yīng)力值小于實(shí)際應(yīng)力值，文獻(xiàn)［3］指出各項(xiàng)應(yīng)力的相對(duì)誤差一般在8%以內(nèi)，其計(jì)算結(jié)果能滿足工程需要，迄今國(guó)內(nèi)大型機(jī)組的應(yīng)力計(jì)算，大多是采取簡(jiǎn)化算法，如三峽水電站、二灘水電站［4］、十三陵抽水蓄能電站、西龍池抽水蓄能電站［5－6］等.本文以云南某水電站為例，亦采用簡(jiǎn)化算法分析了充水保壓蝸殼結(jié)構(gòu)外圍混凝土的應(yīng)力狀態(tài)及蝸殼與外圍混凝土的貼合狀態(tài)隨蝸殼軸線方向的分布情況，為該機(jī)組保壓水頭的選取提出工程建議.

2 計(jì)算模型及工況

該電站蝸殼采用保壓澆筑混凝土的結(jié)構(gòu)形式，總裝機(jī)容量9×650MW，蝸殼進(jìn)口斷面直徑12m，蝸殼內(nèi)正常運(yùn)行水壓力2.22MPa，設(shè)計(jì)初擬定保壓值為1.8MPa，本文對(duì)1.8，1.6，1.22，1.02MPa 4種保壓方案進(jìn)行比較計(jì)算，從而對(duì)保壓值進(jìn)行優(yōu)化選擇.截取7＃機(jī)組段為研究對(duì)象，廠房縱向與機(jī)組段永久分縫為界，長(zhǎng)34.0m.上、下游向以廠房邊墻為界，寬29.0m；豎向27.95m.混凝土彈性模量為28GPa，泊松比0.167，重度2.5kN／m3，鋼材彈性模量為 200 GPa，泊松比0.3，重度78.5kN／m3.鋼蝸殼、樓板采用殼單元?jiǎng)澐郑炷敛捎?節(jié)點(diǎn)塊體單元?jiǎng)澐郑摻畈捎霉軉卧獎(jiǎng)澐郑褐捎昧簡(jiǎn)卧獎(jiǎng)澐郑w機(jī)組段共劃分92 411個(gè)單元，62 580個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖1所示，其中蝸殼4 358個(gè)單元（不含座環(huán)），如圖2所示，蝸殼外圍環(huán)向鋼筋4 238個(gè)單元（按配筋φ32＠200考慮），見(jiàn)圖3.

圖1 機(jī)組段整體有限元模型

圖2 鋼蝸殼網(wǎng)格

圖3 鋼蝸殼外圍環(huán)向鋼筋網(wǎng)格

底部圍巖對(duì)結(jié)構(gòu)的約束作用按全約束考慮，上、下游邊墻與圍巖接觸面施加法向約束，機(jī)組段分縫邊界為自由面.計(jì)算荷載包括結(jié)構(gòu)、水體、設(shè)備自重；機(jī)組運(yùn)行荷載；活荷載等.樓板活荷載取為：發(fā)電機(jī)層60kPa，中間層30kPa，水輪機(jī)層及以下40kPa.

3 計(jì)算結(jié)果及分析

沿蝸殼水流方向選取27個(gè)子午斷面給出局部坐標(biāo)下的計(jì)算結(jié)果.斷面位置見(jiàn)圖4a），任意斷面關(guān)鍵點(diǎn)的位置見(jiàn)圖4b）.蝸愨外圍混凝土環(huán)向應(yīng)力分布曲線見(jiàn)圖5～7.

3.1 應(yīng)力分析

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，保壓值越大對(duì)蝸殼外圍混凝土的受力越有利，蝸殼外圍混凝土的應(yīng)力隨著保壓值的增大而減小；各子午斷面最大環(huán)向拉應(yīng)力發(fā)生在蝸殼頂部；蝸殼外圍混凝土環(huán)向應(yīng)力均為拉應(yīng)力；在16號(hào)子午截面后，蝸殼頂部和底部外圍混凝土的環(huán)向應(yīng)力都有明顯的下降，主要是由于蝸殼半徑減小，外圍混凝土厚度相對(duì)增大.

在蝸殼保壓1.8MPa的情況下，蝸殼外圍混凝土的拉應(yīng)力均較小，蝸殼頂部位置最大拉應(yīng)力僅為0.6MPa左右，如果適當(dāng)降低蝸殼的保壓值為1.6MPa，拉應(yīng)力值也只有0.8MPa左右，均小于混凝土的抗拉強(qiáng)度1.3MPa；在1.22MPa保壓值時(shí)，蝸殼外圍混凝土拉應(yīng)力達(dá)到臨界值，最大拉應(yīng)力值為1.29MPa，發(fā)生在第五子午斷面的蝸殼頂部（最大環(huán)向應(yīng)力均發(fā)生在蝸殼第五子午斷面的頂部）.當(dāng)降至1.02MPa保壓值時(shí)，外圍混凝土局部均產(chǎn)生了較大的環(huán)向拉應(yīng)力，最大值達(dá)到了1.5MPa，應(yīng)力值隨分布深度在10cm左右仍大于1.3MPa.

3.2 蝸殼與混凝土之間的接觸狀態(tài)

鋼蝸殼與外圍混凝土的貼合狀態(tài)取決于保壓水頭在蝸殼與混凝土之間形成的初始縫隙值δ1、蝸殼因溫降引起的冷縮δ2、內(nèi)水壓力下混凝土徐變引起的縫隙值δ3及機(jī)組運(yùn)行時(shí)內(nèi)水壓力作用下蝸殼產(chǎn)生的徑向變形δ4.則機(jī)組運(yùn)行時(shí)，鋼蝸殼與外圍混凝土的脫開(kāi)縫隙為Δδ＝δ1＋δ2＋δ3－δ4.當(dāng)Δδ＜0時(shí)，鋼蝸殼與外圍混凝土緊密貼合，Δδ＞0，說(shuō)明保壓值過(guò)高蝸殼與外圍混凝土脫開(kāi).δ2，δ3可參考文獻(xiàn)［7］的式 B2、C17求得，δ1，δ4為［8］：δ＝（pr2）／（tEs）.式中：r，t分別為蝸殼各子午斷面的內(nèi)壁半徑和管壁厚度；Es為鋼材彈性模量，計(jì)算時(shí)內(nèi)水壓力p分別取保壓值和機(jī)組正常運(yùn)行水壓力即可得δ1，δ4.取施工期（保壓）、運(yùn)行期水可能的最大溫差為13℃.可得機(jī)組運(yùn)行時(shí)蝸殼與混凝土之間的脫開(kāi)縫隙值如圖8所示.由此可知，保壓值越大縫隙值越大，當(dāng)保壓值為1.8 MPa時(shí)，蝸殼與混凝土出現(xiàn)脫開(kāi)現(xiàn)象，當(dāng)保壓值為1.6MPa時(shí)，蝸殼與混凝土基本貼合，當(dāng)保壓值為1.22，1.02MPa時(shí)，蝸殼與混凝土緊密貼合.

圖4 子午斷面示意圖

圖5 蝸殼外圍混凝土頂部位置（P1點(diǎn)）環(huán)向應(yīng)力分布曲線

圖6 蝸殼外圍混凝土腰部位置（P2點(diǎn)）環(huán)向應(yīng)力分布曲線

圖7 蝸殼外圍混凝土底部位置（P3點(diǎn)）環(huán)向應(yīng)力分布曲線

圖8 機(jī)組運(yùn)行時(shí)蝸殼與混凝土之間的脫開(kāi)縫隙值

綜合比較可知，選取1.8MPa保壓值時(shí)，對(duì)蝸殼外圍混凝土的受力有利，但由于保壓值過(guò)高，導(dǎo)致蝸殼與混凝土之間的脫離間隙過(guò)大，影響結(jié)構(gòu)的整體剛度，在運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生共振，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性不利，而且蝸殼和混凝土兩者聯(lián)合承載的效率太低，混凝土的承載作用沒(méi)有得到良好發(fā)揮.當(dāng)保壓值過(guò)低時(shí)（1.22，1.02MPa），雖然蝸殼與混凝土貼合較緊密，結(jié)構(gòu)整體剛度提高，有利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，但是，蝸殼外圍混凝土拉應(yīng)力較大，在結(jié)構(gòu)薄弱部位有可能出現(xiàn)貫穿性裂縫.保壓值為1.6MPa時(shí)，不僅蝸殼外圍混凝土拉應(yīng)力能控制在混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，而且蝸殼與外圍混凝土基本保持貼合狀態(tài)，有利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行［8］.因此，綜合評(píng)定該機(jī)組選擇1.6MPa的保壓值較為合適.

4 結(jié) 論

1）保壓值越大對(duì)混凝土的受力越有利，但保壓值過(guò)高不僅使混凝土的承載作用沒(méi)有得到充分發(fā)揮，還導(dǎo)致蝸殼與混凝土之間的脫離間隙過(guò)大，易產(chǎn)生共振，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性不利.

2）目前對(duì)蝸殼保壓值的選取，主要是從混凝土限裂角度考慮，注重外圍混凝土的應(yīng)力分析，其實(shí)保壓水頭產(chǎn)生的蝸殼與混凝土之間的初始縫隙對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響同樣重要.

3）蝸殼外圍混凝土環(huán)向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，各子午斷面最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在蝸殼頂部；從16號(hào)子午截面至尾部，蝸殼頂部和底部外圍混凝土的環(huán)向應(yīng)力均有明顯的下降趨勢(shì).

4）文中以某水電站7＃機(jī)組為例，經(jīng)過(guò)分析可知：1.8MPa的設(shè)計(jì)保壓值偏高，建議可選取為1.6MPa，這樣不僅能充分發(fā)揮蝸殼外圍混凝土的承載作用，也有利于機(jī)組的穩(wěn)定性運(yùn)行.

［1］秦繼章，馬善定，伍鶴皋，匡會(huì)健.三峽水電站“充水保壓”鋼蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)三維有限元分析［J］.水利學(xué)報(bào)，2002（6）：28－32.

［2］練繼建，王海軍，秦 亮.水電站廠房結(jié)構(gòu)研究［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

［3］李文富，李錦成，趙小娜.水電站充水保壓蝸殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力仿真算法研究［J］.水力發(fā)電，2004，30（3）：52－54.

［4］匡會(huì)健，伍鶴皋，馬善定，二灘水電站鋼蝸殼與外圍鋼筋混凝土聯(lián)合承載研究：水電站壓力管道·岔管·蝸殼［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，1994.

［5］亢景付，孫少杰，張沁成.西龍池抽水蓄能電站蝸殼結(jié)構(gòu)三維有限元計(jì)算分析［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2007（2）：37－41.

［6］王海軍，黃津民，王日宣.充水保壓鋼蝸殼外圍混凝土應(yīng)力分析方法研究［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2007（6）：131－136.

［7］中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL／T5141－2001水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2002.

［8］聶金育，伍鶴皋，蘇 凱.抽水蓄能電站蝸殼保壓值優(yōu)化研究［J］.水電能源科學(xué)，2009（2）：151－154.