郭 濤 張立翔 姚 激

（昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650224）

0 前 言

隨著能源需求的不斷增加，擬建或建成了大批高水頭、大容量水電站，發(fā)電機組單機容量越來越大，蝸殼的HD值也急劇增長，水電站結構的設計和安全運行面臨新的挑戰(zhàn).目前較常見的蝸殼結構有：直埋、墊層埋設和充水保壓蝸殼結構.它們的主要區(qū)別在于聯(lián)合承載的方式和程度各有不同.充水保壓蝸殼結構屬于一種部分聯(lián)合承載結構，可以有效的控制和調節(jié)鋼蝸殼與外圍混凝土的承載比例，充分發(fā)揮鋼蝸殼的承載優(yōu)勢，減少外圍混凝土的開裂和配筋，而且又滿足了廠房下部結構的整體剛度要求，再者，由于蝸殼內部水體的重力作用可以有效的避免鋼蝸殼的上浮，省去了外圍混凝土澆筑時對鋼蝸殼的一些拉錨結構，因此，充水保壓蝸殼有利于機組的穩(wěn)定運行和便于施工.尤其對大型機組和抽水蓄能機組更重要，因此在國內外被廣泛的采用［1］.如國外的大古里電站、伊泰普電站、麥卡電站、拉格朗德二級、丘吉爾瀑布.國內的二灘、三峽左岸、小灣及潘家口電站的抽水蓄能機組，天荒坪、十三陵、廣州等抽水蓄能電站等，均采用充水保壓蝸殼.充水保壓蝸殼結構最關鍵的問題在于保壓值的選取，不僅決定了鋼蝸殼和混凝土之間的承載比例，還關系著電站廠房的振動和變行，因此選擇合理的保壓值，是確保大型水電站機組安全穩(wěn)定運行的關鍵問題之一.

1 計算方法

目前針對保壓值優(yōu)化的研究，判斷準則主要偏向于蝸殼外圍混凝土應力的大小，對鋼蝸殼和座環(huán)上的應力及位移分布考慮較少，尤其對機組穩(wěn)定性的研究甚少.其實鋼蝸殼膨脹時產生的位移沿蝸殼軸線和子午斷面各部位都極不均勻，因此鋼蝸殼和外圍混凝土很難達到完全貼合，若脫開縫隙過大，削弱了結構的整體剛度，當機組運行時，容易產生共振.但由于鋼蝸殼和外圍混凝土的貼合計算涉及到大量的接觸和不為人知的諸如溫度等非線性的影響，因此蝸殼與外圍混凝土之間的貼合狀態(tài)對機組穩(wěn)定性的影響目前僅局限于定性描述，很難通過定量的模擬脫開縫隙對整體結構的動力影響來優(yōu)選保壓值的大小.確切的說，保壓值的選取研究，目前只局限于調節(jié)鋼蝸殼與外圍混凝土的承載比例，即外圍混凝土的應力分析（簡化算法），對于脫開縫隙對結構的動力影響和應力分析，即仿真算法仍屬于前沿問題.

保壓蝸殼結構在數(shù)值計算中主要有2種算法，即簡化算法和仿真方法［2］.簡化算法實用和簡單，工程應用實踐較多，它忽略了蝸殼與混凝土間的接觸和初始縫隙對蝸殼結構的影響，假設機組運行時，鋼蝸殼與外圍混凝土完全聯(lián)合承載（兩者緊貼），認為計算超出保壓水頭那部分剩余水壓力作用下，所得結構的應力就是運行工況下外圍混凝上的真實應力，通過對該應力的分析比較，確定最優(yōu)保壓值.至于忽略了初始縫隙對結構應力的影響所帶來的誤差影響，據研究結果和實際工程觀測資料顯示，簡化算法得到的蝸殼外圍混凝土應力值小于實際應力值，文獻［3］指出各項應力的相對誤差一般在8%以內，其計算結果能滿足工程需要，迄今國內大型機組的應力計算，大多是采取簡化算法，如三峽水電站、二灘水電站［4］、十三陵抽水蓄能電站、西龍池抽水蓄能電站［5－6］等.本文以云南某水電站為例，亦采用簡化算法分析了充水保壓蝸殼結構外圍混凝土的應力狀態(tài)及蝸殼與外圍混凝土的貼合狀態(tài)隨蝸殼軸線方向的分布情況，為該機組保壓水頭的選取提出工程建議.

2 計算模型及工況

該電站蝸殼采用保壓澆筑混凝土的結構形式，總裝機容量9×650MW，蝸殼進口斷面直徑12m，蝸殼內正常運行水壓力2.22MPa，設計初擬定保壓值為1.8MPa，本文對1.8，1.6，1.22，1.02MPa 4種保壓方案進行比較計算，從而對保壓值進行優(yōu)化選擇.截取7＃機組段為研究對象，廠房縱向與機組段永久分縫為界，長34.0m.上、下游向以廠房邊墻為界，寬29.0m；豎向27.95m.混凝土彈性模量為28GPa，泊松比0.167，重度2.5kN／m3，鋼材彈性模量為 200 GPa，泊松比0.3，重度78.5kN／m3.鋼蝸殼、樓板采用殼單元劃分，混凝土采用8節(jié)點塊體單元劃分，鋼筋采用管單元劃分，梁柱采用梁單元劃分，整體機組段共劃分92 411個單元，62 580個節(jié)點，有限元模型如圖1所示，其中蝸殼4 358個單元（不含座環(huán)），如圖2所示，蝸殼外圍環(huán)向鋼筋4 238個單元（按配筋φ32＠200考慮），見圖3.

圖1 機組段整體有限元模型

圖2 鋼蝸殼網格

圖3 鋼蝸殼外圍環(huán)向鋼筋網格

底部圍巖對結構的約束作用按全約束考慮，上、下游邊墻與圍巖接觸面施加法向約束，機組段分縫邊界為自由面.計算荷載包括結構、水體、設備自重；機組運行荷載；活荷載等.樓板活荷載取為：發(fā)電機層60kPa，中間層30kPa，水輪機層及以下40kPa.

3 計算結果及分析

沿蝸殼水流方向選取27個子午斷面給出局部坐標下的計算結果.斷面位置見圖4a），任意斷面關鍵點的位置見圖4b）.蝸愨外圍混凝土環(huán)向應力分布曲線見圖5～7.

3.1 應力分析

由計算結果可見，保壓值越大對蝸殼外圍混凝土的受力越有利，蝸殼外圍混凝土的應力隨著保壓值的增大而減??；各子午斷面最大環(huán)向拉應力發(fā)生在蝸殼頂部；蝸殼外圍混凝土環(huán)向應力均為拉應力；在16號子午截面后，蝸殼頂部和底部外圍混凝土的環(huán)向應力都有明顯的下降，主要是由于蝸殼半徑減小，外圍混凝土厚度相對增大.

在蝸殼保壓1.8MPa的情況下，蝸殼外圍混凝土的拉應力均較小，蝸殼頂部位置最大拉應力僅為0.6MPa左右，如果適當降低蝸殼的保壓值為1.6MPa，拉應力值也只有0.8MPa左右，均小于混凝土的抗拉強度1.3MPa；在1.22MPa保壓值時，蝸殼外圍混凝土拉應力達到臨界值，最大拉應力值為1.29MPa，發(fā)生在第五子午斷面的蝸殼頂部（最大環(huán)向應力均發(fā)生在蝸殼第五子午斷面的頂部）.當降至1.02MPa保壓值時，外圍混凝土局部均產生了較大的環(huán)向拉應力，最大值達到了1.5MPa，應力值隨分布深度在10cm左右仍大于1.3MPa.

3.2 蝸殼與混凝土之間的接觸狀態(tài)

鋼蝸殼與外圍混凝土的貼合狀態(tài)取決于保壓水頭在蝸殼與混凝土之間形成的初始縫隙值δ1、蝸殼因溫降引起的冷縮δ2、內水壓力下混凝土徐變引起的縫隙值δ3及機組運行時內水壓力作用下蝸殼產生的徑向變形δ4.則機組運行時，鋼蝸殼與外圍混凝土的脫開縫隙為Δδ＝δ1＋δ2＋δ3－δ4.當Δδ＜0時，鋼蝸殼與外圍混凝土緊密貼合，Δδ＞0，說明保壓值過高蝸殼與外圍混凝土脫開.δ2，δ3可參考文獻［7］的式 B2、C17求得，δ1，δ4為［8］：δ＝（pr2）／（tEs）.式中：r，t分別為蝸殼各子午斷面的內壁半徑和管壁厚度；Es為鋼材彈性模量，計算時內水壓力p分別取保壓值和機組正常運行水壓力即可得δ1，δ4.取施工期（保壓）、運行期水可能的最大溫差為13℃.可得機組運行時蝸殼與混凝土之間的脫開縫隙值如圖8所示.由此可知，保壓值越大縫隙值越大，當保壓值為1.8 MPa時，蝸殼與混凝土出現(xiàn)脫開現(xiàn)象，當保壓值為1.6MPa時，蝸殼與混凝土基本貼合，當保壓值為1.22，1.02MPa時，蝸殼與混凝土緊密貼合.

圖4 子午斷面示意圖

圖5 蝸殼外圍混凝土頂部位置（P1點）環(huán)向應力分布曲線

圖6 蝸殼外圍混凝土腰部位置（P2點）環(huán)向應力分布曲線

圖7 蝸殼外圍混凝土底部位置（P3點）環(huán)向應力分布曲線

圖8 機組運行時蝸殼與混凝土之間的脫開縫隙值

綜合比較可知，選取1.8MPa保壓值時，對蝸殼外圍混凝土的受力有利，但由于保壓值過高，導致蝸殼與混凝土之間的脫離間隙過大，影響結構的整體剛度，在運行時容易產生共振，對機組穩(wěn)定性不利，而且蝸殼和混凝土兩者聯(lián)合承載的效率太低，混凝土的承載作用沒有得到良好發(fā)揮.當保壓值過低時（1.22，1.02MPa），雖然蝸殼與混凝土貼合較緊密，結構整體剛度提高，有利于機組的穩(wěn)定運行，但是，蝸殼外圍混凝土拉應力較大，在結構薄弱部位有可能出現(xiàn)貫穿性裂縫.保壓值為1.6MPa時，不僅蝸殼外圍混凝土拉應力能控制在混凝土的設計抗拉強度范圍內，而且蝸殼與外圍混凝土基本保持貼合狀態(tài)，有利于機組的穩(wěn)定運行［8］.因此，綜合評定該機組選擇1.6MPa的保壓值較為合適.

4 結 論

1）保壓值越大對混凝土的受力越有利，但保壓值過高不僅使混凝土的承載作用沒有得到充分發(fā)揮，還導致蝸殼與混凝土之間的脫離間隙過大，易產生共振，對機組穩(wěn)定性不利.

2）目前對蝸殼保壓值的選取，主要是從混凝土限裂角度考慮，注重外圍混凝土的應力分析，其實保壓水頭產生的蝸殼與混凝土之間的初始縫隙對結構的穩(wěn)定性影響同樣重要.

3）蝸殼外圍混凝土環(huán)向應力均為拉應力，各子午斷面最大拉應力出現(xiàn)在蝸殼頂部；從16號子午截面至尾部，蝸殼頂部和底部外圍混凝土的環(huán)向應力均有明顯的下降趨勢.

4）文中以某水電站7＃機組為例，經過分析可知：1.8MPa的設計保壓值偏高，建議可選取為1.6MPa，這樣不僅能充分發(fā)揮蝸殼外圍混凝土的承載作用，也有利于機組的穩(wěn)定性運行.

［1］秦繼章，馬善定，伍鶴皋，匡會健.三峽水電站“充水保壓”鋼蝸殼外圍混凝土結構三維有限元分析［J］.水利學報，2002（6）：28－32.

［2］練繼建，王海軍，秦 亮.水電站廠房結構研究［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［3］李文富，李錦成，趙小娜.水電站充水保壓蝸殼結構的應力仿真算法研究［J］.水力發(fā)電，2004，30（3）：52－54.

［4］匡會健，伍鶴皋，馬善定，二灘水電站鋼蝸殼與外圍鋼筋混凝土聯(lián)合承載研究：水電站壓力管道·岔管·蝸殼［M］.杭州：浙江大學出版社，1994.

［5］亢景付，孫少杰，張沁成.西龍池抽水蓄能電站蝸殼結構三維有限元計算分析［J］.水力發(fā)電學報，2007（2）：37－41.

［6］王海軍，黃津民，王日宣.充水保壓鋼蝸殼外圍混凝土應力分析方法研究［J］.中國農村水利水電，2007（6）：131－136.

［7］中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL／T5141－2001水電站壓力鋼管設計規(guī)范［S］.北京：中國電力出版社，2002.

［8］聶金育，伍鶴皋，蘇 凱.抽水蓄能電站蝸殼保壓值優(yōu)化研究［J］.水電能源科學，2009（2）：151－154.