脈動水壓力作用下的水電站地下廠房振動反應分析

馬龍彪 ，馬信武 ，李 寧 ，劉天鵬

（1.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林 敦化 133700；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061；3.水利部寒區工程技術研究中心，吉林 長春 130061）

1 工程概況

敦化抽水蓄能電站位于吉林省敦化市北部，主要由上水庫、下水庫、水道系統、地下廠房系統和地面GIS開關站等組成。本工程屬大（1）型一等工程。

地下廠房由主機間、安裝場和副廠房組成，呈“一”字形布置。主機間長101 m，安裝場布置在主廠房左側，長37 m，副廠房布置在主廠房右側，長20 m。主機間內安裝4臺350 MW豎軸單級混流可逆式水泵水輪機組，總裝機容量為1400 MW，分五層布置，分別為發電機層、母線層、水輪機層、蝸殼層和尾水管層，機組安裝高程為596.00 m，主廠房頂拱開挖高程為638.50 m，底板開挖高程為583.50 m。

電站機組采用東方電機有限公司和哈爾濱電機廠有限公司的懸式發電機，發電機額定轉速為500 r/min，飛逸轉速分別為740 r/min；水輪機轉輪拆卸方式為上拆，固定導葉和活動導葉數為20個，轉輪葉片數為9個。

2 計算模型

計算模型的范圍為:從廠左0+036.500～廠左0+060.500，廠上0+014.650～廠下0+010.350m（尾水管:0+016.000m），從尾水管層高程583.500 m至發電機層高程612.000 m。包括檢修排水廊道、尾水管外圍混凝土、蝸殼外圍混凝土、機墩、風罩及各層板梁柱等，局部結構根據需要加以簡化。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，考慮結構分縫，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。3#機組段有限元模型網格剖分見圖1。

圖1 敦化抽水蓄能電站地下廠房3#機組段有限元模型

3 脈動水壓力作用下的水電站地下廠房振動反應分析

當前關于水電站廠房結構在脈動水壓力作用下振動響應的研究方法主要分為諧響應分析[1～2]和時程分析[3]，劉建[4]等采用這兩種方法計算了同一抽水蓄能電站廠房結構在脈動壓力作用下的振動響應，通過對比分析得出了兩者均可用作動力分析的結論。本文基于廠房結構的特點和壓力脈動測量數據，假設振動是主頻率下的簡諧振動，采用諧響應分析法進行分析。根據機組生產廠家給出的模型試驗中蝸殼和尾水管處脈動壓力的幅值和主頻，選出發電工況和抽水工況下蝸殼和尾水管的壓力脈動幅值和頻率，并假定蝸殼和尾水管內脈動水壓力是同頻率和同相位的簡諧荷載，計算得出兩種工況下的廠房關鍵部位響應幅值。發電和抽水兩種工況下脈動水壓力的幅值和主頻見表1。

表1 發電和抽水工況下脈動水壓力幅值和主頻

3.1 水電站廠房振動控制標準

馬震岳等[5]提出水電站廠房振動控制標準建議值，見表2。

表2 水電站主廠房振動控制標準建議值

3.2 地下廠房脈動壓力作用響應分析

水電站廠房下部結構以大體積混凝土為主，因此在脈動水壓力作用下的動力響應較小，所以本文僅研究定子基礎、下機架基礎、發電機層樓板、母線層樓板和水輪機層樓板等關鍵部位的振動反應和動應力。

3.2.1 振動反應計算結果與分析

發電和抽水兩種工況下，定子基礎、下機架基礎、機礅、發電機層樓板、母線層樓板和水輪機層樓板在各方向最大位移、最大速度和最大加速度值分別見表3、表4。

表3 發電工況廠房關鍵部位各方向最大振動響應

表4 抽水工況廠房關鍵部位各方向最大振動響應

從發電工況廠房關鍵部位各方向最大振動響應計算結果可看出:

（1）定子基礎、下機架基礎和機墩三個部位的最大動位移出現在定子基礎徑向，約為0.022 mm；最大水平向振動速度為2.299mm/s，發生在定子基礎徑向，最大豎向振動速度為1.720mm/s，發生在機墩部位；最大水平向振動加速度為0.238 m/s2，發生在定子基礎徑向，最大豎向振動加速度為0.179 m/s2，發生在機墩部位。

（2）發電機層樓板、母線層樓板和水輪機層樓板三者的最大動位移約為0.033 mm，為發電機層樓板的縱向位移；最大水平向振動速度為3.459 mm/s，發生在發電機層樓板縱向，最大豎向振動速度為2.114 mm/s，發生在發電機層樓板處；最大水平向振動加速度為0.358 m/s2，發生在發電機層樓板縱向，最大豎向振動加速度為0.219 m/s2，發生在發電機層樓板處。

從抽水工況廠房關鍵部位各方向最大振動響應計算結果可看出:

（1）定子基礎、下機架基礎和機墩三個部位的最大動位移出現在定子基礎徑向，約為0.013 mm；最大水平向振動速度為1.807mm/s，發生在定子基礎徑向，最大豎向振動速度為1.409mm/s，發生在機墩部位；最大水平向振動加速度為0.257 m/s2，發生在定子基礎徑向，最大豎向振動加速度為0.200 m/s2，發生在機墩部位。

（2）發電機層樓板、母線層樓板和水輪機層樓板三者的最大動位移約為0.027 mm，為發電機層樓板的縱向位移；最大水平向振動速度為2.547 mm/s，發生在發電機層樓板橫向，最大豎向振動速度為3.814 mm/s，發生在發電機層樓板處；最大水平向振動加速度為0.362 m/s2，發生在發電機層樓板橫向，最大豎向振動加速度為0.543 m/s2，發生在發電機層樓板處。

綜上，發電工況和抽水工況下，廠房各部位的最大動響應均能滿足表2給出的振動控制標準建議值的要求。

3.2.2 動應力計算結果與分析

發電和抽水兩種工況下，各典型部位各方向最大動拉應力值見表5。

表5 兩種工況下各典型部位各方向最大動拉應力 單位:MPa

由表5知，各工況下各部位橫向和徑向的動應力均較小，在發電工況下水輪機層樓板中間部位的豎向動拉應力最大，為0.110 MPa，小于混凝土的動態抗拉強度，說明在脈動水壓力下，廠房結構的動應力水平均不高，因此，對于脈動水壓力作用下的振動效應，應主要從振動位移、速度或加速度的角度加以評價。

4 結語

本文通過對敦化抽水蓄能電站地下廠房的進行水力振動數值分析，計算結果均滿足要求。結果表明在實際運行過程中，如果流道內不出現顯著超過模型試驗情況的強脈動，廠房將不會因為水力脈動而損壞，其結構設計是合理的。