巴塘水電站蝸殼結構型式受力特性對比研究

劉興華，黃 鵬

（1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2.國家水能風能研究中心西北分中心，西安 710065）

蝸殼作為水輪發電機組的重要組成部分，其結構安全直接影響機組的穩定安全運行［1］。中高水頭水電站混流式水輪機蝸殼結構型式主要有3種：充水保壓蝸殼、鋼蝸殼、直埋蝸殼［2-4］。

巴塘水電站蝸殼承受的內水壓力不高，但其尺寸較大。本文根據巴塘水電站蝸殼結構自身及其外圍鋼筋混凝土結構形式，通過三維有限元數值模擬方法，對比分析不同厚度墊層蝸殼方案及直埋蝸殼方案的受力特性，確定蝸殼埋設方式。

1 模型和邊界條件

1.1 模型

巴塘水電站為地面廠房，總裝機750MW，單臺機容量250MW。蝸殼進口段直徑9.87m，蝸殼最大設計內水壓力0.92MPa，HD值為908m2。本文以廠房中間機組段為研究對象，建立三維有限元模型，上游取至主副廠房分縫處，下游取至尾水管出口處，高度上從尾水管底板開挖高程至排架頂部高程。機組段長29.5m，寬54.4m，總高度為71.5m。在廠房基礎以下取110.0m范圍的巖石，基巖在廠房上、下游各延伸110.0m。

計算采用大型有限元分析軟件Ansys。通過三維有限元的方法計算。各部位模擬單元方式如表1。整個計算模型共255389個結點，492878個單元。整體數值分析模型和混凝土網格如圖1～圖2，蝸殼和墊層網格如圖3～圖4。

圖1 整體模型網格

圖2 混凝土網格

圖3 蝸殼網格

圖4 墊層網格

1.2 材料參數

1.2.1 混凝土

廠房一二期混凝土均采用C25混凝土，彈性模量2.80萬MPa，容重25kN/m3，泊松比0.167。

1.2.2 蝸殼和座環鋼板

彈性模量2.06×105MPa，容重78.5kN/m3，泊松比0.3。

1.2.3 墊層

墊層厚度20mm，容重3.0kN/m3，泊松比0.01；墊層蝸向布置范圍從蝸殼上游止推環位置的直管段到蝸向272.3°；子午向布置范圍為混凝土與鋼板相交處起24°為墊層起始點，末端取腰線位置。

1.3 計算方案

為研究不同墊層彈模對蝸殼結構及外圍混凝土受力特性的影響，選定墊層包角及平面鋪設范圍，墊層厚度不變，墊層彈性模量設為2MPa（即傳力系數比100MPa/cm），計算方案以DC-1表示；墊層彈性模量設為1.0MPa（即傳力系數比50MPa/cm），計算方案以DC-2表示。同時，計算直埋蝸殼與墊層蝸殼結構進行對比，計算方案以ZM表示。通過對蝸殼外圍混凝土應力及位移、混凝土承載比、鋼蝸殼及座環應力、蝸殼外圍混凝土配筋結果等進行對比分析，最后選擇最優的墊層參數。

1.4 計算荷載

蝸殼結構計算主要考慮了結構自重、內水壓力、水輪機層活荷載及機墩傳來荷載的作用。本文按持久狀況下基本荷載組合進行計算對比分析。

計算分析步驟根據廠房施工、安裝、運行等條件，首先施加施工完建期廠房結構承受的荷載，主要包括鋼蝸殼、機組設備和混凝土等結構自重及各樓板活荷載；然后施加電站運行期除蝸殼內水壓力外的其他水壓力荷載；最后施加電站運行期蝸殼內水壓力。計算電站運行期蝸殼外包混凝土承擔內水壓力比例采用蝸殼只承擔內水壓力作用的結果。

表2 蝸殼作用及作用組合

2 蝸殼外圍混凝土受力特性

2.1 蝸殼外圍混凝土應力

分別對3種蝸殼方案下6個典型子午斷面的環向應力和水流向方向的應力進行計算，典型斷面和特征點位置如圖5和圖6，由于篇幅有限，本文僅選取3個斷面各特征點的應力列于表3。

表3 典型斷面特征點環向和水流向應力值 單位：MPa

圖5 蝸殼斷面示意圖

圖6 混凝土特征點示意圖

從各斷面特征點應力表可看出：

（1）各計算方案下蝸殼混凝土典型斷面特征點的環向應力基本為拉應力，沿蝸殼徑向遠離流道的拉應力呈減小趨勢。直埋方案：混凝土內圈節點拉應力比較大，基本都大于混凝土抗拉強度；墊層方案：鋪設墊層的區域顯然小于未鋪設墊層的區域混凝土內圈結點拉應力，表明鋼蝸殼鋪設墊層后有利于改善蝸殼外圍混凝土的受力情況。

（2）蝸殼混凝土的環向應力沿蝸向呈減小趨勢，主要是由于蝸殼管徑變小的同時外圍混凝土厚度變大。蝸殼直管段混凝土的環向應力明顯大于其他斷面。

（3）針對不同的蝸殼典型斷面，水流向的應力分布規律有所不同。直埋方案和墊層方案1#～6#斷面水流向應力除了座環上、下部混凝土受壓之外，其余部位的混凝土主要受拉，但拉應力的數值不大，直埋方案的拉應力值普遍大于墊層方案。對同一斷面而言，設置墊層與否對水流向應力的影響不明顯，即設有墊層的上半部混凝土水流向應力并不一定小于無墊層的下半部，甚至還略微大一些。

（4）蝸殼外圍混凝土最大主應力達到C25設計抗拉強度的區域主要集中出現在蝸殼直管段未包墊層區域。隨著墊層彈模的減小，墊層外圍混凝土應力隨之減小。

2.2 蝸殼外圍混凝土承載比

3種蝸殼方案下6個典型斷面鋼蝸殼各特征點的環向應力，典型斷面如圖4，鋼蝸殼各征點位置如圖7，根據式（1）計算了蝸殼外圍混凝土的承載比，各典型斷面的蝸殼混凝土上下半周承載比如表4。

表4 典型斷面混凝土承載比 單位：%

圖7 蝸殼斷面特征點位置

式中 δ為鋼蝸殼厚度（mm）；r為鋼蝸殼半徑（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（含水擊壓力），本工程為0.92MPa。

從各方案計算斷面承載比分析：

（1）ZM方案蝸殼上半周的環向應力高于下半周的，上半周的混凝土承載比在80%左右，下半周的混凝土承載比在90%左右，各斷面整體承載比在85%左右。

（2）DC-1方案蝸殼1#～6#鋪設墊層的管節，蝸殼上半周的環向應力明顯高于下半周的，上半周的混凝土承載比在28%～43%，下半周的混凝土承載比在61%～70%，各斷面的整體承載比在45%～56%。相較于ZM方案，DC-1方案各斷面的混凝土承載比明顯減小，顯然鋪設合理的墊層可減少外圍混凝土承擔內水壓力比例，有利于外圍混凝土結構設計。

（3）對于DC-2方案，墊層彈模由2.0MPa減小至1.0MPa。與DC-1方案相比，各斷面的混凝土承載比進一步減小。上半周混凝土的承載比在18%～36%，下半周的混凝土承載比在51%～61%，各斷面的整體承載比在34%～48%，分布規律與DC-1方案類似。

3 鋼蝸殼受力特性

根據計算結果，整理了ZM、DC-1和DC-2方案下鋼蝸殼的Mises應力，分別見圖7～圖9。從圖中可看出：

圖7 ZM方案蝸殼Mises應力云圖 單位：MPa

圖8 DC-1方案蝸殼Mises應力云圖 單位：MPa

圖9 DC-2方案蝸殼Mises應力云圖 單位：MPa

（1）ZM方案中，在座環頂部混凝土較薄甚至無混凝土位置，蝸殼Mises應力較大，但不超過64MPa，其他位置的Mises應力一般不超過22MPa。

（2）DC-1方案中，鋪設墊層部位的鋼蝸殼應力較大，Mises應力一般不超過157MPa，而在未設墊層的下半周，鋼蝸殼Mises應力數值較小，一般不超過54MPa。

（3）DC-2方案中，鋪設墊層部位的鋼蝸殼應力較大，Mises應力一般不超過180MPa，而在未設墊層的下半周，鋼蝸殼Mises應力數值較小，一般不超過61MPa。

DC-1與DC-2方案相比，無論是蝸殼應力分布還是大小都比較接近，均能使蝸殼應力小于其允許應力；但DC-2方案蝸殼應力數值有小幅度的增加。

（4）各方案下，鋼蝸殼的Mises應力均能滿足材料強度要求，在蝸殼鋼板與座環連接處、蝸殼外露部位的應力集中均比較明顯，尤其是直埋方案下，外露部位的應力存在應力突變，蝸殼鋼板整體結構受力不均勻。顯然，在墊層方案下，不僅可發揮埋入混凝土內的蝸殼鋼板承擔內水壓力的能力，還能使蝸殼整體結構的應力均勻。

4 結語

本文通過對直埋蝸殼及墊層蝸殼不同墊層彈模方案的計算比較，分析蝸殼外圍混凝土應力、承載比及鋼蝸殼應力得出如下結論：

（1）從蝸殼外圍混凝土的受力狀態來看，直埋方案蝸殼外圍混凝土的環向和水流向應力均大于墊層方案，且大部分區域沿徑向遠離蝸殼的環向拉應力逐漸減小。墊層方案下，鋪設墊層的區域顯然小于未鋪設墊層的區域混凝土內圈結點環向拉應力，說明設置墊層對于減小蝸殼外圍混凝土拉應力是有利的。

（2）從蝸殼外圍混凝土內水壓力承載比來看，ZM方案蝸殼各斷面承載比在85%左右，DC-1方案各斷面承載比在45%～56%，DC-2方案各斷面承載比在34%～48%，顯然鋪設合理的墊層可以減少外圍混凝土承擔內水壓力比例，有利于外圍混凝土結構設計。

（3）各方案下，鋼蝸殼的Mises應力均能滿足材料強度要求，在蝸殼鋼板與座環連接處、蝸殼外露部位的應力集中均比較明顯，尤其是直埋方案下，外露部位的應力存在應力突變，蝸殼鋼板整體結構受力不均勻。顯然，在墊層方案下，不僅可以發揮埋入混凝土內的蝸殼鋼板承擔內水壓力的能力，還能使蝸殼整體結構的應力均勻。

（4）本文基于巴塘水電站工程實際情況，通過有限元計算分析，對不同蝸殼結構型式受力特性對比研究，對同類工程具有一定參考意義。