巨型水輪機蝸殼墊層埋設方式和監測設計研究

伍文鋒 稅思梅

摘 要：溪洛渡水電站單機容量770 MW，最大水頭226 m，蝸殼尺寸大、承受的內水壓力高。為設計蝸殼合理的墊層方案，從改善蝸殼結構的受力狀況出發，通過建立蝸殼三維有限元模型，進行線彈性計算和非線性有限元計算，對墊層厚度、包角和平面鋪設范圍以及蝸殼應力、鋼筋應力、混凝土裂縫開展與寬度等物理力學指標進行分析，從而確定合理的墊層方案。在結構計算結果的基礎上進行蝸殼安全監測設計。針對蝸殼不同結構形狀、不同墊層方案選擇監測斷面;選用多種監測儀器對鋼襯及外圍混凝土應力、應變進行全面監測，以分析機組運行性態和評價機組運行安全情況。

關鍵詞：水輪機蝸殼;墊層;埋設方式;溪洛渡水電站

中圖分類號：TV734.1 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.029

Abstract： The unit capacity of Xiluodu Hydropower Station is 770 MW and the maximum head is 226 m， having the features of big size of spiral case and high internal water pressure. In order to design reasonable cushion plan for spiral case， starting from improving suffer pressure of volute structure and through establishing three-dimensional finite element model of volute， it conducted linear elastic calculation and nonlinear finite element calculation. It analyzed the volute stress， reinforcement stress and development and width of concrete cracks physical indicators for determining a reasonable cushion plan. On the basis of structural calculation results， safety monitoring design of spiral case was carried out. The monitoring section was selected according to the different structural shapes and different cushion schemes. It selected and used various monitoring instrument to conduct overall monitoring in spiral case for analyzing the unit operation behavior and evaluating the safety of unit operation.

Key words： spiral case; cushion; embedding type; Xiluodu Hydropower Station

隨著特大型水電站的不斷涌現，大流量、高水頭和技術的進步使得水輪發電機組容量不斷增大，蝸殼的HD值（H為水頭，D為蝸殼進口斷面直徑）也不斷增大。蝸殼日趨向巨型化發展[1]。在建及將建的水電站機組容量越來越大，如溪洛渡水電站單機容量770 MW、向家壩水電站單機容量800 MW、白鶴灘和烏東德水電站單機容量1 000 MW。水電站蝸殼結構復雜，是一種特殊的鋼襯鋼筋混凝土結構[2]。對于巨型水電站高HD值的蝸殼，國內外多采用打壓埋設方式，而墊層和直埋方式有明顯的優點，但能否在巨型蝸殼結構中采用一直存在疑慮并缺乏工程經驗[3]。袁達夫等[4-5]結合三峽工程的特點，總結了大型水輪機蝸殼各種埋設方式的特點，提出直埋-墊層組合方案是有應用前景的理想埋設方案。隨著直埋-墊層組合方案在工程中的成功運用，該方案將成為水電站蝸殼埋設方式選擇的發展趨勢[6]。

筆者結合溪洛渡水電站工程建設實踐，通過建立有限元計算模型，對墊層材料的鋪設范圍和物理力學指標等參數進行敏感性分析，從而確定合理的墊層設計參數。同時，根據計算成果，對關鍵部位的位移和應力進行監測，以掌握機組蝸殼在施工期、調試期及運行期等不同工況下的工作性態和安全狀況。

1 工程概況

溪洛渡水電站采用地下式發電廠房，分左、右岸布置，兩岸各裝機9臺、單機容量為770 MW的水輪發電機組，總裝機容量13 860 MW。左、右岸地下廠房基本呈對稱布置于壩軸線上游庫區，廠房縱軸線方位分別為N24°W和N70°W。左右岸地下廠房分別由主機間、安裝間、副廠房、主變室、9條壓力管道、9條母線洞、9條尾水管及尾水連接洞、3條尾水洞、2條出線井及通排風系統、防滲排水系統等組成，構成以三大洞室為主體、縱橫交錯、上下分層的大規模地下洞室群。

溪洛渡電站蝸殼均按獨立承受包括升壓水頭在內的最大工作水壓設計。單機引水流量為423.8 m3/s，最大水頭為226 m，最小水頭為155 m。該電站蝸殼尺寸大，承受的內水壓力大，HD值達1 700 m2。鋼蝸殼和座環分別采用ADB 610D和S550Q鋼材，混凝土結構主要采用C25、C20混凝土，各材料力學參數見表1。

2 機組蝸殼墊層埋設方式研究

蝸殼墊層方案具有減小外圍混凝土結構承擔的內水壓力、方便施工、提高混凝土澆筑質量等優點。付洪霞等[7-12]研究表明，合適的墊層方案有利于改善蝸殼結構的受力狀況。通過建立有限元計算模型，選擇不同的墊層厚度、墊層包角、墊層平面鋪設范圍等，分別對溪洛渡機組蝸殼鋼筋配置、混凝土裂縫開展與寬度，以及蝸殼剛度等進行了敏感性分析，在此基礎上確定蝸殼墊層方案。

2.1 分析內容

（1）彈性墊層鋪設厚度。選擇彈性墊層鋪設厚度2.0 cm為基本方案，2.5、3.0 cm為比較方案。

（2）彈性墊層包角。選擇從蝶形邊往外約1.5 m延伸到腰線處為基本方案，從蝶形邊往外約1.5 m延伸到腰線以下15°處為比較方案。

（3）彈性墊層平面鋪設范圍。選擇沿水流向墊層鋪設至蝸殼135°斷面為基本方案，沿水流向墊層鋪設至蝸殼150°斷面、90°斷面、45°斷面為比較方案。

2.2 模型建立

計算模型從錐管底高程346.10 m取至機墩頂高程368.76 m，模擬下機架進人廊道、射流器坑、冷卻器坑、接力器坑、水輪機機坑（設兩個進人廊道）、蝸殼進人廊道、尾水管操作廊道、錐管進人廊道等孔洞。蝸殼有限元模型見圖1。

2.3 計算結果及分析

2.3.1 線彈性計算

考慮到蝸殼最大內水壓力為2.87 MPa（包括水擊壓力），線彈性計算時作用在蝸殼內的水壓力取2.87 MPa。根據計算結果，整理了沿水流方向進口斷面（0°斷面，見圖2）、45°斷面、90°斷面、135°斷面及180°斷面蝸殼外圍混凝土在子午斷面內蝸殼頂部、腰線上45°、腰線處混凝土內側、腰線下45°、蝸殼底部、腰線處混凝土外側共6個特征點的環向應力值，特征點編號見圖2。

選擇墊層厚度為2.0、2.5、3.0 cm進行計算，最大應力見表2。從表2可以看出，在改善外圍混凝土拉應力方面，不同墊層厚度相差很小，從節約材料和便于施工的角度考慮，墊層厚度為2.0 cm的方案最優。

選擇墊層包角至腰線處和至腰線下15°兩種方案計算典型斷面各特征點應力，見表3。從改善蝸殼外圍混凝土環向拉應力角度看，墊層下端鋪設至腰線下15°與墊層鋪設到腰線處相比，在墊層鋪設區域確實降低了蝸殼腰線上45°、蝸殼頂部及底部等位置的混凝土拉應力，但降低幅度不大，特別是在腰線部位應力改善幅度更小;在未鋪設墊層區域，兩種墊層包角方案差別不大。從節省材料及便于施工角度考慮，墊層包角至腰線處方案最優。

2.3.2 非線性有限元計算

（1）鋼筋應力。在比較了墊層厚度和包角的基礎上，通過非線性有限元計算選擇墊層的平面鋪設范圍。選擇墊層鋪設至90°、135°、150°三種方案。非線性有限元分析主要進行正常使用極限狀態驗算，考慮到蝸殼正常運行工況最大內水壓力為2.41 MPa，取內水壓力為2.41 MPa。

鋪設墊層區域鋼筋拉應力一般低于未鋪設墊層區域的，說明墊層鋪設效果明顯，見表4。墊層平面鋪設范圍越大，內層環向鋼筋應力越小，混凝土開裂區域越小。

（2）裂縫寬度。根據鋼筋應力，主要計算了各鋪設方案下鋼筋混凝土內由環向拉應力所產生的徑向裂縫寬度。墊層鋪設至90°、135°、150°（墊層平面鋪設范圍，沿水流方向的斷面），混凝土最大裂縫寬度分別為0.371、0.274、0.235 mm。從最大裂縫寬度限值0.3 mm來看，墊層鋪設至135°或150°均可滿足要求，墊層鋪設至150°方案最大裂縫寬度最小。墊層鋪設至150°蝸殼外圍混凝土的開裂范圍見圖3。

（3）鋼襯應力。在鋪設墊層的區域和未鋪設墊層的區域，各方案相比，鋼襯應力相差不大。最大應力為130 MPa。鋼襯的等效應力從蝸殼進口斷面開始隨著管徑的減小，鋼襯應力整體上表現為減小趨勢。上半部鋪設了墊層，使得鋼襯承擔了更大比例的內水壓力;上半部鋼襯的等效應力大于下半部的。

（4）墊層鋪設范圍選擇。根據非線性有限元計算結果，對比分析鋼筋應力、裂縫寬度、鋼襯應力等指標，可以得出墊層平面鋪設至135°和150°都是可行的。

2.4 墊層方案

綜合線彈性計算、非線性有限元計算結果，最終確定溪洛渡水電站機組蝸殼墊層采用組合方案的埋設方式：厚度為（20±0.2） mm的聚氨酯軟木材料墊層（彈性模量為2.5 MPa），墊層包角至腰線處，墊層鋪設范圍選擇135°或150°兩種方案。

3 安全監測設計

蝸殼體型復雜，荷載傳遞方式和內力分配難以確定，必須通過原型觀測取得鋼筋和蝸殼應力、接縫開度等數據，用于掌握機組運行狀態，并為指導施工和改進設計提供依據。於三大等[13-16]對水輪機組蝸殼的原型觀測應力、開度等數據進行了分析，為后續蝸殼原型觀測設計提供了參考和借鑒。現根據蝸殼的埋設方式，結合模型計算結果，對溪洛渡蝸殼原型觀測設計方案進行研究。

3.1 監測目的

通過對流道（壓力管道、蝸殼及過渡板等）應力、蝸殼與混凝土間的相對變形、蝸殼外圍混凝土及鋼筋的應力應變等項目進行監測，結合蝸殼結構計算結果，分析機組運行性態和評價機組運行的安全情況。

3.2 監測內容

根據溪洛渡水電機組蝸殼埋設方式的特點，選擇的蝸殼監測項目和內容：壓力鋼管、蝸殼及過渡板應力，蝸殼與外圍混凝土之間縫隙開度，壓力鋼管、蝸殼外圍混凝土鋼筋應力及應變。

3.3 監測儀器布置原則

根據蝸殼的結構特點，蝸殼處監測儀器測點布置主要考慮以下原則：測點布置力求全面反映蝸殼應力、開度變形等的完整分布情況，并確保監測數據完整和可靠;測點布置以蝸殼及過渡板應力、蝸殼與混凝土間開度、外包混凝土的應力及應變和鋼筋應力等為主。

3.4 監測方案

以盡量少的機組臺數滿足監測要求，從而節約投資，減少施工干擾是監測設計的首要問題[17]。共選擇了5臺機組蝸殼進行監測，監測方案基本相同。現以1號機組為例進行闡述。

（1）監測斷面布設。1號機組沿蝸殼進口、蝸殼墊層、蝸殼（未鋪設墊層）處選擇A—A、B—B、C—C共3個監測斷面，對蝸殼不同結構形狀、不同墊層方案部位進行監測，見圖4。

圖4 1號機組蝸殼監測斷面布置（數字表示蝸殼分節序號）

（2）監測儀器布置。主要布置了測縫計（用符號JS表示）、鋼板應變計（用符號RP表示）、鋼筋計（用符號RS表示）、混凝土應變計（用符號S4表示）、無應力計（用符號S表示）等監測儀器。測縫計用于監測鋼蝸殼與外圍混凝土之間接縫開度，可分析蝸殼與外圍混凝土分擔蝸殼內水壓力的情況;鋼板應變計用于監測蝸殼環向和流向的應力變化，以此來監測蝸殼的安全穩定性;鋼筋計用于監測外圍混凝土-內外層鋼筋的應力變化;混凝土應變計和無應力計用于監測外圍混凝土的應力變化。根據有限元計算結果，儀器主要布設在特征點1（頂部）、3（腰線處）、5（底部）等部位，儀器布置見圖5。

圖5 監測儀器布置

4 結 語

溪洛渡水電站單機容量770 MW，最大水頭226 m，蝸殼尺寸大、承受的內水壓力大。通過線彈性計算和非線性有限元計算，確定了溪洛渡蝸殼墊層厚度（20±0.2）mm，墊層包角至腰線處，墊層鋪設范圍選擇135°或150°墊層平面鋪設范圍兩種方案。在結構計算的基礎上進行蝸殼安全監測設計。針對蝸殼不同結構形狀、不同墊層方案選擇監測斷面，采用多種監測儀器有針對性地對蝸殼應力、蝸殼與外圍混凝土之間縫隙開度、外圍混凝土鋼筋應力及應變等進行監測，最終達到了全面監測的目的，為分析機組運行性態和評價機組運行的安全性奠定了基礎。

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【責任編輯 呂艷梅】