固增水電站墊層蝸殼有限元一體化計算分析

張正香，王雪，蔣裕飛

（1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，成都 610072；2.中國水利水電第七工程局有限公司，成都 610213）

1 工程概況

固增水電站是木里河干流水電規劃推薦的“一庫六級”開發方案的第5 個梯級電站，采用引水式開發方式。電站正常蓄水位2 215.00 m，總庫容4.84×105m3。電站廠房為岸邊式地面廠房，廠房建筑物主要由主廠房、開關站和尾水渠組成，廠房內設有4 臺機組，單機43 MW，總裝機172 MW。機組安裝高程2 081.80 m，機組間距13 m。蝸殼采用墊層蝸殼[1]，墊層厚度為20 mm，蝸殼進口最大直徑為3.1 m，蝸殼外緣最大尺寸為4.548 m。最大工作水頭129 m，最小工作水頭105.4 m，額定水頭106 m。

2 有限元一體化

2.1 計算方法

對墊層蝸殼結構進行靜力分析時，在將鋼襯和混凝土之間、鋼襯與墊層之間假定為完全黏結的前提下，可采用共結點模型進行計算，求解方法簡單方便。

2.2 計算模型及材料參數

水電站廠房蝸殼結構有限元設計分析一體化程序，主要包含CATIA 界面插件和Abaqus 自動化程序2 部分。選取2#機組段作為典型進行蝸殼結構有限元計算，并確定2#機組段蝸殼關鍵部位的受力情況。其他機組段受力參照2#機組段。

三維有限元計算模型包括機墩風罩、蝸殼外部混凝土、座環、鋼蝸殼，全部按照設計尺寸建模。對于鋼襯，實際采取的網格是四邊形與三角形混合。其中，四邊形的類型采用S3R單元，三角形將默認采用S3R 單元；混凝土、座環采用C3D4單元。同時，鋼襯單元與混凝土單元網格尺寸相當。整體結構模型的單元總數為33 137 個，節點總數為8 586 個。墊層參數通過墊層程序設置界面進行設置，各部件材料力學參數見表1。

表1 各部件材料力學材料參數

2.3 計算工況

計算一般選取額定運行工況、甩負荷工況、蝸殼放空工況進行蝸殼有限元計算分析，根據電站的實際運行工況，甩負荷工況下蝸殼、座環及外圍混凝土受到的影響最大。因此，將機組甩負荷作為墊層蝸殼-混凝土有限元一體化分析的控制工況。該工況下蝸殼的最大內水壓力為1.74 MPa。

2.4 荷載及邊界條件

計算荷載主要包括結構自重、樓面活荷載、機組設備荷載和蝸殼內水壓力：（1）結構自重、樓面活荷載相同，程序根據參數輸入自行加載計算；（2）發電機和水輪機層樓面均布活荷載分別為20 kN/m2、10 kN/m2；（3）甩負荷工況承受內水壓應力為1.74 MPa。

根據實際模型，模型底面取固定約束，上游面、下游面及左側面取法相約束，右側面及頂部取為自由面。

3 計算結果分析

根據計算結果，整理了甩負荷工況下鋼蝸殼和外圍混凝土典型斷面的環向應力和水流向的應力成果，其中拉應力為正、壓應力為負。由于靠近鼻端的進口斷面形狀極不規則，水流進入蝸殼內較為紊亂，易造成應力集中現象，因而可選取1#、2#截面；由于蝸殼鼻端斷面尺寸最小、流速大，受力集中且比較大，故選取8#、9#斷面等進行分析。

3.1 蝸殼外圍混凝土應力分析

根據蝸殼及外圍混凝土結構有限元計算結果可知，在甩負荷工況下，部分蝸殼外圍混凝土典型斷面特征點應力成果見表2。蝸殼進口及蝸殼下部甩負荷工況主應力分布分別見圖1、圖2。

圖1 蝸殼進口甩負荷工況主應力分布

圖2 蝸殼下部甩負荷工況主應力分布

表2 蝸殼外圍混凝土典型斷面特征點應力

從甩負荷工況下蝸殼外圍混凝土應力云圖及典型斷面特征點應力成果可以看出：

1）蝸殼外圍混凝土環向應力大部分為拉應力，大部分區域沿徑向遠離蝸殼的點拉應力逐漸減小。蝸殼外圍混凝土大部分區域水流向應力小于環向應力，局部位置的水流向應力為壓應力。

2）甩負荷工況下，蝸殼和外圍混凝土共同承擔1.74 MPa的內水壓力；此外，甩負荷工況下的混凝土的拉應力區域面積及特征點拉應力最大。

3）由圖1、圖2 可知，當甩負荷工況、額定運行工況及蝸殼放空工況時，蝸殼周圍混凝土絕大部分區域拉應力都沒有超過C25 混凝土的設計抗拉強度。

4）額定運行、甩負荷及蝸殼放空3 種工況下直管段腰線下-90°～-45°部位及座環頂部和底部拉應力均較大，屬配筋關鍵部位。

5）由圖1、圖2 可以看出，在彈性層鋪設范圍內，蝸殼外圍混凝土應力得到明顯改善，遠小于未鋪設軟彈性層管節處外圍混凝土的應力，這說明彈性層的設置對改善混凝土的應力狀況作用明顯。

3.2 配筋方案

根據蝸殼結構在額定運行、甩負荷及蝸殼放空3 種工況下的計算結果可知，蝸殼外圍混凝土在甩負荷工況下應力值最大。對此，可選取甩負荷工況為最不利工況計算蝸殼外圍混凝土的配筋。

根據結構配筋計算方法，整理了直管段1#、2#，彎曲段8#、9#4 個代表性斷面特征部位上所需的配筋面積，經開裂驗算修正蝸殼外圍混凝土各代表性斷面配筋面積見表3。

表3 蝸殼外圍混凝土各代表性斷面配筋面積

4 結語

水電站墊層蝸殼及外圍混凝土受力特性極為復雜。本文結合在建的固增水電站，運用蝸殼一體化程序進行了蝸殼及外圍混凝土的數值仿真計算，確定了主電站廠房蝸殼結構應力狀態及配筋參數，保證了蝸殼結構安全。同時，采用一體化程序簡單快捷且提高了計算效率。