荒溝地下廠房在機組動荷載作用下的動力特性分析

劉天鵬 ，魯恩龍 ，崔志剛 ，劉 佳 ，謝宜靜

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061；2.水利部寒區工程技術研究中心，吉林 長春 130061；3.黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江 牡丹江 157000）

抽水蓄能電站不同于一般的水電站，是利用電網的峰谷特點進行儲能和發電的。在負荷低谷時水泵把水源抽送至上水庫，從而把電能以水勢能形式儲存起來，當電網高峰負荷時利用水能發電機再將水的勢能轉變為電能，從而達到調峰的目的。與西方發達國家相比，我國抽水蓄能電站起步較晚，從20世紀90年代才開始進入快速發展時期，截止2017年底，我國抽水蓄能電站總裝機容量為67675.5 MW（其中運行容量28765.5 MW，在建容量38910 MW），無論是運行機組容量還是在建機組容量均居世界第一，所以研究抽水蓄能電站廠房運行狀態下的安全穩定尤為重要。宋志強[1]等用有限元數值方法研究了機組動荷載施加方式對軟弱地基上的水電站廠房結構動力響應的影響。文獻[2～3]則采用諧響應法對廠房在不同機組動荷載下各部位振動反應進行了計算分析。陳婧[4]等分別利用諧響應動力分析法及時間歷程分析法計算了抽水蓄能電站地下廠房結構在各種機組動荷載作用下的振動響應及從正常運行工況向飛逸工況過渡過程中的振動響應。趙水榮[5]等根據現場的測試數據模擬出了水輪機主軸的擺度與質量偏心引起的振動和水力振動之間的關系，并據此獲得輪軸的擺度在某界限內時機組穩定運行的可靠性概率。本文以地下廠房3#機組段為典型對黑龍江荒溝抽水蓄能電站進行其在機組動荷載作用下的動力特性分析。

1 工程概況

黑龍江荒溝抽水蓄能電站，總裝機容量為1200 MW，安裝四臺混流可逆式水泵水輪發電機組，單機容量為300 MW。本工程為Ⅰ等工程，工程規模為大（1）型，樞紐主要包括上水庫、輸水系統、地下廠房系統、及地面開關站等。

主廠房洞開挖尺寸為163.2 m×25.0 m×53.8 m（長×寬×高），洞內布置有安裝間、主機間及主副廠房。主機間內布置有四個機組段，機組段總長度98.9 m，機組中心距24.0 m。計算選取3#機組段，長度為24.0 m，機組安裝高程為138.00 m，發電機層高程為153.50 m，母線層高程為147.50 m，層高為6.0 m，水輪機層高程為141.50 m，層高為6.0 m，蝸殼層高程為133.50 m，層高為8.0 m，蝸殼層以下為尾水管層，尾水管底板高程為127.20 m。

電站機組采用哈電公司的立軸、半傘式發電機，發電機額定轉速為428.6 r/min，飛逸轉速為622 r/min；水輪機轉輪活動導葉數為20個，轉輪葉片數為9個。

2 計算模型

計算模型見圖1。地下洞室圍巖對廠房結構上下游墻的約束作用按彈性支撐考慮，用彈簧單元來模擬；機組段兩側，考慮結構分逢，各層樓板由梁柱支撐，按自由邊界處理；模型底部邊界采用完全固結。

圖1 黑龍江荒溝抽水蓄能電站地下廠房計算模型

3 機墩組合結構剛度復核

承受機組動荷載的主體結構是機墩組合結構，由于其本身較為復雜，開孔眾多，可能會形成薄弱部位，因此有必要對機墩結構體系的整體剛度進行復核。

3.1 上機架基礎部位徑向剛度復核

圖2 上機架基礎位置編號圖

上機架基礎有8個基礎板，編號分別為1～8，見圖2。假設荷載向量為P1，由于上機架的整體作用以及支承荷載分布具有不均勻性，故假設8個基礎板只有6個承受荷載，其中:中間2個基礎板各承擔P1/4荷載，另外4個基礎板各承擔P1/8荷載。因此當荷載向量水平旋轉一周時，便有8種荷載工況組合，組合情況見表1。

P1=16 mN時，在各種荷載組合下，上機架基礎處沿力作用方向的最大位移及剛度見表2。

由表2可知:①工況Ⅱ最大位移最大，為1.198mm；工況IV的最大位移相對最小，為0.765mm。上機架基礎橫河向的剛度較小，主要是由于上下游側圍巖的彈性支撐作用使順河向剛度相對較大；②各工況下徑向剛度最小值為13.36mN/mm，大于廠家提供的上機架徑向剛度標準值5mN/mm，可知上機架基礎部位剛度復核要求。

表1 上機架基礎荷載工況組合表

3.2 下機架基礎部位徑向剛度復核

荷載向量P2，下機架基礎有6個基礎板，考慮到下機架的整體作用以及支承荷載分布的不均勻性，仿照上機架，進行荷載工況組合，組合情況見表3。

表2 上機架基礎在各荷載組合下沿力作用方向的最大位移及剛度

表3 下機架基礎荷載工況組合表

P2=24 mN時，在各種荷載組合下，下機架基礎處沿力作用 方向的最大位移及剛度見表4。

表4 下機架基礎在各荷載組合下沿力的作用方向的最大位移和剛度

從計算結果中可以看出:

（1）當給下機架基礎作用水平力時，其截面位移分布隨荷載變化而變化，與上機架基礎相同；

（2）沿力的作用方向，工況V的最大位移相對最大，工況Ⅲ的最大位移相對最小；

（3）下機架基礎各工況下徑向剛度均大于廠家提供的下機架徑向剛度標準值9 mN/mm，可知下機架基礎部位徑向剛度滿足復核要求。

4 機組振動荷載作用下廠房動力反應分析

4.1 機組振動荷載及計算工況

計算結構動力響應需考慮正常運行工況和飛逸工況。水輪發電機組運行時所產生的振動荷載主要有垂直動荷載、水平動荷載和切向動荷載。根據機組制造廠家提供的資料可知，機組在各種工況運行下的荷載分別作用于定子基礎、下機架基礎和上機架基礎。故各工況下，上述部位的荷載標準值見表5。

在動力計算中，不考慮自重、水壓力等靜力荷載的作用，將上述機組動荷載施加在機墩結構的對應位置上，按諧響應法計算結構的動力反應。計算動位移時，幅值為提供的動荷載標準值，正常運行工況應乘以可變作用長期組合系數，但由于國內相應的水電規范沒有規定如何取值，因此在計算中不考慮該系數的作用，按1.0計算；計算動應力時，幅值為提供的動荷載標準值乘以荷載分項系數1.2。

表5 各基礎板荷載標準值 單位:kN

4.2 動力位移計算結果與分析

本文僅關注廠房結構重點部位的動位移和動應力，因為這些部位振動反應相對較大，為結構剛強度設計控制的關鍵部位。廠房結構各典型部位各方向的最大動位移見表 6。

表6 各工況下各典型部位各方向最大動位移 單位:mm

由表6可知:①由于定子基礎及下機架基礎處豎向荷載不變，所以機墩各部位的豎向動位移相對變化不大；各層樓板動位移均小于0.2 mm，正常運行工況下發電機層樓板水平向振幅較大，主要是這此工況上機架基礎存在較大的水平向動荷載；②機墩各部位各方向的動位移值均較小，均滿足規范《水電站廠房設計規范NB/T 35011-2013》第6.3.7條規定。

4.3 動應力計算結果與分析

各工況下，廠房結構各典型部位各方向的最大動拉應力值見表7。

表7 各工況下各典型部位各方向最大動拉應力 單位:MPa

從計算結果中可以看出:

（1）在機組正常運行工況下，由于下機架基礎處的豎向動荷載較大，故豎向動拉應力也較大，最大值為1.590 MPa，定子基礎豎向動拉應力為1.309 MPa。

（2）在飛逸工況時，荷載作用頻率為飛逸頻率，故下機架基礎處產生相對較大的動拉應力，最大值分別為豎向1.841 MPa、環向1.058 MPa、徑向1.170 MPa，定子基礎豎向為1.309 MPa，其它部位的動拉應力均非常小。

5 結語

本文對黑龍江荒溝抽水蓄能電站地下廠房3#機組段利用通用有限元軟件進行計算，結果表明:當前的設計滿足機墩結構的剛度要求，且廠房結構關鍵部位在機組動荷載作用下的動位移和動應力也均滿足規范要求，廠房結構設計合理。