某抽水蓄能電站充水保壓蝸殼保壓值優化研究

李 瑤，李 旭

(華能瀾滄江水電股份有限公司，昆明 650000)

某抽水蓄能電站充水保壓蝸殼保壓值優化研究

李 瑤，李 旭

(華能瀾滄江水電股份有限公司，昆明 650000)

針對某抽水蓄能電站充水保壓蝸殼，采用三維非線性有限元法，對不同的保壓值下鋼蝸殼及環向鋼筋應力、外圍混凝土應力及承載比、鋼蝸殼與外圍混凝土的接觸狀態等進行了對比分析。研究結果表明，保壓值越大對外圍混凝土的受力越有利，但過大的保壓值會使得蝸殼與外圍混凝土之間出現脫空現象，這對機組運行是不利的。該水電站蝸殼保壓值為496 m左右時，可以在保證機組穩定運行的前提下更大程度的發揮鋼材及混凝土受力特性。關鍵詞：抽水蓄能電站;充水保壓;蝸殼;保壓值；優化;非線性有限元法

目前大容量水輪機蝸殼的結構型式主要有3種：墊層埋置方式、直埋式和充水保壓埋置方式[1]。與墊層埋置方式相比，大型水電站蝸殼常采用“充水保壓”的埋置方式，可以使鋼蝸殼與外包鋼筋混凝土緊密結合成整體，有利于機組運行時的穩定性[2]。隨著更多的大容量、高水頭常規機組和大容量抽水蓄能機組的建設，充水保壓蝸殼在中國有著更多應用的趨勢。然而充水保壓蝸殼結構的重要參數——保壓值是一個非常關鍵的問題，它決定著外圍鋼筋混凝土的內輪廓。充水保壓蝸殼結構預壓水頭值的選取，不僅關系到重要的經濟問題，同時也關系到電站能否長期的安全運行。如果保壓值定得過高，鋼蝸殼與外圍混凝土之間縫隙值可能偏大，影響機組的運行穩定性，可能引起廠房振動。反之，如果保壓值定得過低，那么大部分內水壓力將由外圍混凝土承擔，需要配置大量的鋼筋，即使這樣，混凝土的抗裂和整體穩定性仍然得不到保障，同樣對廠房振動不利。因此有必要對充水保壓值進行優化，從而選取合適的充水保壓值，保證結構安全運行的同時使材料充分發揮其強度，達到經濟最優的目的。

本文針對某抽水蓄能電站充水保壓蝸殼，采用三維非線性有限元法對蝸殼結構5種保壓方案進行了非線性計算，對比分析不同保壓方案在正常運行水頭作用下，鋼襯及鋼筋環向應力以及外圍混凝土應力變形分布規律，同時也考慮了鋼蝸殼與外圍混凝土之間的接觸狀態以及混凝土的承載比等因素，為保壓值的優化提供依據。

1 計算方案

本文以某充水蓄能電站的充水保壓蝸殼結構為研究背景，該電站總裝機容為2 400 MW。工程樞紐屬Ⅰ等工程。電站蝸殼為鋼蝸殼，厚度為26～50 mm，內徑為222.84～1 040 mm，在正常運行工況下取蝸殼內水壓力627 m水頭，甩負荷時蝸殼內水壓力為775 m水頭。鋼蝸殼及鋼筋的彈性模量分別為2.10×105MPa和2.00×105MPa，泊松比為0.3，容重78.5 kN/m3，設計抗拉強度310 MPa；混凝土彈性模量為2.90×104MPa，泊松比為0.167，容重25 kN/m3，設計抗拉強度1.3 MPa。

選取了5種保壓方案，在正常運行水頭作用下分別對蝸殼結構進行有限元計算，計算荷載主要包括內水壓力、結構自重等[3]，得到了不同保壓值方案在正常運行水頭作用下鋼蝸殼和外圍混凝土的應力變形分布規律。充水保壓蝸殼不同方案保壓值如表1。

表1 充水保壓蝸殼不同方案保壓值表

2 有限元模型

模型模擬了鋼蝸殼及其外包混凝土、座環、機墩等結構。三維非線性有限元模型中蝸殼進人孔、尾水管進人孔等為尺寸較大孔洞；風罩、各層板梁柱結構和廠房邊墻等結構簡化為外荷載作用于機墩和蝸殼結構上[4]。

鋼筋采用二節點桿單元，外圍混凝土采用8結點六面體塊體單元，局部采用四面體單元過渡，鋼蝸殼、尾水管鋼襯和座環采用板殼單元[5]；整體有限元模型55 559個節點，63 154個單元，整體模型見圖1。

采用笛卡爾直角坐標系，坐標系原點取在0.0 m高程面與機組軸線相交處,其X軸為水平方向，沿廠房縱軸指向左端為正(面向下游)；Y軸為水平方向，指向上游為正；Z軸為鉛垂方向，向上為正。

3 有限元計算結果分析

蝸殼典型斷面及斷面特征點示意圖分別如圖2～3。

圖1 有限元模型圖

圖2 蝸殼典型斷面示意圖

圖3 蝸殼典型斷面特征點示意圖

3.1 鋼蝸殼應力分析

充水保壓蝸殼的應力由2部分組成：① 由鋼蝸殼單獨承擔充水保壓水頭產生的應力；② 鋼蝸殼與外圍鋼筋混凝土聯合承載剩余水頭產生的應力。通過非線性有限元分析[6]，對5種不同保壓方案下，鋼蝸殼在斷面不同特征點的應力進行了比較，如表2所示。

從表2中得出，隨著鋼襯及外包混凝土厚度的變化，各典型斷面的鋼蝸殼應力也有差異；保壓值越大，鋼蝸殼的應力越高[7]，鋼材利用越充分，這有利于發揮鋼材強度。5種方案中，鋼蝸殼的最大應力分別是91.5、96.9、109.6、119.9和138.5 MPa，均未超過鋼材的屈服極限。

表2 各典型斷面的鋼襯應力值表 /MPa

3.2 蝸殼環向鋼筋應力分析

非線性有限元計算結果表明，在5種保壓方案中，環向鋼筋主要處于受拉狀態且應力分布規律基本相同，均表現為隨著保壓水頭的增加，同一斷面相應特征點的環向應力逐漸減小。另外，同一斷面的3層鋼筋從內到外鋼筋應力逐漸減小且最大環向鋼筋應力出現的部位也不盡相同，內層鋼筋最大應力出現在蝸殼頂部，中層鋼筋出現在頂部與腰部之間，而外層鋼筋出現在蝸殼腰部。圖4～6給出了不同保壓方案下斷面Ⅱ各層環向鋼筋應力變化趨勢。

圖4 內層環向鋼筋應力變化圖

3.3 外圍混凝土應力及開裂分析

結果表明，在5種不同保壓方案下，應力分布規律基本相同。外圍混凝土主要承受拉應力，蝸殼外圍混凝土最大環向拉應力主要集中在蝸殼頂部內緣且隨著保壓值的增大而減小。由于混凝土和鋼蝸殼聯合承載的水頭減小，同一斷面相應特征點的環向應力也隨之減小[8]。隨著保壓值的增大，超過混凝土設計抗拉強度范圍也隨之減小，蝸殼外圍混凝土可能開裂的深度隨之減小，而混凝土蝸線方向的應力分布規律與環向應力相同，最大值主要集中在Ⅶ斷面腰部?？梢姡龃蟊褐祵炷潦芰τ欣?，可節省鋼材用量，減小蝸殼外圍混凝土的開裂，確保蝸殼外圍混凝土整體性以利于蝸殼結構的穩定運行。

圖5 第2層環向鋼筋應力變化圖

圖6 第3層環向鋼筋應力變化圖

3.4 鋼蝸殼外圍混凝土承載比分析

由某斷面鋼蝸殼切向應力的平均值σ0，按公式可以估算出該斷面外圍混凝土的承載比[9]：

(1)

式中：η為混凝土承擔的內水壓力占設計內水壓力的百分比，簡稱混凝土承載比；δ為典型斷面處鋼蝸殼厚度,mm；γ為典型斷面處鋼蝸殼半徑,mm；σ0為鋼蝸殼環向應力平均值,MPa；P為鋼蝸殼設計內水壓力,MPa；

研究結果表明，在正常運行水頭作用下，充水保壓蝸殼保壓值越高，鋼襯與外包混凝土聯合承載的水頭將越低，外圍混凝土承擔的內水壓力百分比就越低，即聯合承載程度越小，這樣不僅可以充分發揮鋼材的抗拉強度，而且對混凝土受力更有利。典型斷面的蝸殼外圍混凝土承載比見表3。

表3 典型斷面外圍混凝土承載比表

4 鋼蝸殼與外圍混凝土接觸狀態分析

對于充水保壓蝸殼而言，如果保壓值選取的過大，當運行水頭低于保壓值時，由于鋼蝸殼的自由變形值小于保壓澆筑混凝土的膨脹值，這時蝸殼基本不受外圍混凝土約束，會使得蝸殼與外圍混凝土之間出現脫空現象，機組運行時的穩定性將會受到影響，進而可能導致廠房振動[10]。基于此，本文研究了蝸殼在496 m最低運行水頭作用下，由鋼蝸殼與混凝土的接觸狀態，得出了鋼蝸殼與混凝土之間的間隙值，表4列舉了不同保壓方案下的最大裂隙值。研究結果表明，在496 m最低運行水頭作用下，方案BY-1、BY-2、BY-3、BY-4基本沒有出現脫空的情況，但當保壓值為502 m時，斷面Ⅱ頂部最大的間隙值為0.254 mm，說明方案BY-5鋼蝸殼與外圍混凝土之間出現了脫空現象，這可能會影響機組的運行穩定性，對廠房的穩定是不利的。

表4 不同斷面處蝸殼和外圍混凝土之間裂隙值表

/mm

5 結 語

(1) 隨著保壓值的增大，外圍混凝土的環向應力減小，鋼蝸殼的應力增大，混凝土的承載比也逐漸降低，這有利于提高混凝土的抗裂性，充分發揮鋼材的強度，確保結構的整體性[11]。研究結果表明，保壓值越大對外圍混凝土的受力越有利，但如果保壓值選取得過大，當運行水頭低于保壓值時，由于鋼蝸殼的自由變形值小于保壓澆筑混凝土的膨脹值，這時蝸殼基本不受外圍混凝土約束，會使得蝸殼與外圍混凝土之間出現脫空現象，這對機組運行是不利的。

(2) 對該抽水蓄能電站而言，當保壓值為496 m時，在充分發揮鋼材承載能力的前提下，可以保證外包混凝土各處的應力均在設計抗拉強度范圍內，并且蝸殼結構運行時也能保證鋼襯與外圍混凝土緊密結合，不出現脫空現象，保證兩者的完整性。綜合各方面因素，建議保壓值選擇在496 m左右。

(3) 抽水蓄能電站蝸殼保壓值選取的影響因素應綜合考慮蝸殼鋼襯的承載能力、外圍混凝土的設計抗拉強度、環向縱向鋼筋的配筋情況及保證機組長期穩定運行等各方面要求。在保持現有鋼蝸殼設計厚度不變的情況下，應盡量取較高的保壓水頭值，但由于蝸殼的冷縮縫隙的存在，在不考慮施工期和運行期水的溫差情況下，鋼蝸殼保壓值選擇不能是越高越好，應留有一定的余地。

(4) 在保證機組長期穩定運行的前提下，允許應力相比還有盈余，鋼材強度能得到較好的發揮，鋼筋的配置適當不過量，是保證蝸殼保壓值選取的經濟合理性的關鍵因素。

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[4] 聶金育.充水保壓蝸殼保壓值優化分析[C]//抽水蓄能電站工程建設文集.北京：中國電力出版社，2013 ：172-176.

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Study on Optimization of Pressure-securing Value of Spiral Case with Pressure Secured by Filling Water

LI Yao, LI Xu

(Huaneng Lancang River Hydropower Co., Ltd., Kunming 650000,China)

Regarding the spiral case with pressure secured by filling water of one pumped storage power plant, 3D nonlinear finite element method is applied to analyze stresses of the steel spiral case and circumferential reinforcement, stress of the exterior concrete, bearing ratio, contact of the spiral case and the exterior concrete, etc. The study presents that the higher the pressure-securing value is , the better the action of the exterior concrete is. But the extremely high pressure-securing value can cause gap between the spiral case and the exterior concrete. This impacts the unit operation adversely. When the pressure-securing value of the spiral case of the plant is about 496 m, actions of steel materials and concrete can be fully played under the precondition of assuring the normal operation of the unit.Key words: pumped storage power plant; water filling to secure pressure; spiral case; pressure-securing value; optimization; nonlinear finite element

1006—2610(2016)06—0055—04

2016-07-13

李瑤(1985- )，女，湖北省潛江市人，工程師，從事水利水電工程建設管理工作.

TV743;TK730

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.014