劉興華，黃 鵬

（1.中國電建集團西北勘測設(shè)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(fā)電機組的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)安全直接影響機組的穩(wěn)定安全運行［1］。中高水頭水電站混流式水輪機蝸殼結(jié)構(gòu)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(nèi)水壓力不高，但其尺寸較大。本文根據(jù)巴塘水電站蝸殼結(jié)構(gòu)自身及其外圍鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，通過三維有限元數(shù)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(shè)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(shè)計內(nèi)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(chǔ)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(jié)點，492878個單元。整體數(shù)值分析模型和混凝土網(wǎng)格如圖1～圖2，蝸殼和墊層網(wǎng)格如圖3～圖4。

圖1 整體模型網(wǎng)格

圖2 混凝土網(wǎng)格

圖3 蝸殼網(wǎng)格

圖4 墊層網(wǎng)格

1.2 材料參數(shù)

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(huán)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(huán)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(jié)構(gòu)及外圍混凝土受力特性的影響，選定墊層包角及平面鋪設(shè)范圍，墊層厚度不變，墊層彈性模量設(shè)為2MPa（即傳力系數(shù)比100MPa/cm），計算方案以DC-1表示；墊層彈性模量設(shè)為1.0MPa（即傳力系數(shù)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(jié)構(gòu)進行對比，計算方案以ZM表示。通過對蝸殼外圍混凝土應(yīng)力及位移、混凝土承載比、鋼蝸殼及座環(huán)應(yīng)力、蝸殼外圍混凝土配筋結(jié)果等進行對比分析，最后選擇最優(yōu)的墊層參數(shù)。

1.4 計算荷載

蝸殼結(jié)構(gòu)計算主要考慮了結(jié)構(gòu)自重、內(nèi)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(jù)廠房施工、安裝、運行等條件，首先施加施工完建期廠房結(jié)構(gòu)承受的荷載，主要包括鋼蝸殼、機組設(shè)備和混凝土等結(jié)構(gòu)自重及各樓板活荷載；然后施加電站運行期除蝸殼內(nèi)水壓力外的其他水壓力荷載；最后施加電站運行期蝸殼內(nèi)水壓力。計算電站運行期蝸殼外包混凝土承擔內(nèi)水壓力比例采用蝸殼只承擔內(nèi)水壓力作用的結(jié)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(yīng)力

分別對3種蝸殼方案下6個典型子午斷面的環(huán)向應(yīng)力和水流向方向的應(yīng)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(yīng)力列于表3。

表3 典型斷面特征點環(huán)向和水流向應(yīng)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(yīng)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(huán)向應(yīng)力基本為拉應(yīng)力，沿蝸殼徑向遠離流道的拉應(yīng)力呈減小趨勢。直埋方案：混凝土內(nèi)圈節(jié)點拉應(yīng)力比較大，基本都大于混凝土抗拉強度；墊層方案：鋪設(shè)墊層的區(qū)域顯然小于未鋪設(shè)墊層的區(qū)域混凝土內(nèi)圈結(jié)點拉應(yīng)力，表明鋼蝸殼鋪設(shè)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(huán)向應(yīng)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(huán)向應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)律有所不同。直埋方案和墊層方案1#～6#斷面水流向應(yīng)力除了座環(huán)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(yīng)力的數(shù)值不大，直埋方案的拉應(yīng)力值普遍大于墊層方案。對同一斷面而言，設(shè)置墊層與否對水流向應(yīng)力的影響不明顯，即設(shè)有墊層的上半部混凝土水流向應(yīng)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(yīng)力達到C25設(shè)計抗拉強度的區(qū)域主要集中出現(xiàn)在蝸殼直管段未包墊層區(qū)域。隨著墊層彈模的減小，墊層外圍混凝土應(yīng)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(huán)向應(yīng)力，典型斷面如圖4，鋼蝸殼各征點位置如圖7，根據(jù)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(huán)向應(yīng)力平均值（MPa）；p為鋼蝸殼設(shè)計內(nèi)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(huán)向應(yīng)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(shè)墊層的管節(jié)，蝸殼上半周的環(huán)向應(yīng)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(shè)合理的墊層可減少外圍混凝土承擔內(nèi)水壓力比例，有利于外圍混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)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(guī)律與DC-1方案類似。

3 鋼蝸殼受力特性

根據(jù)計算結(jié)果，整理了ZM、DC-1和DC-2方案下鋼蝸殼的Mises應(yīng)力，分別見圖7～圖9。從圖中可看出：

圖7 ZM方案蝸殼Mises應(yīng)力云圖 單位：MPa

圖8 DC-1方案蝸殼Mises應(yīng)力云圖 單位：MPa

圖9 DC-2方案蝸殼Mises應(yīng)力云圖 單位：MPa

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

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

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

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

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

4 結(jié)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(yīng)力、承載比及鋼蝸殼應(yīng)力得出如下結(jié)論：

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

（2）從蝸殼外圍混凝土內(nèi)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(shè)合理的墊層可以減少外圍混凝土承擔內(nèi)水壓力比例，有利于外圍混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（3）各方案下，鋼蝸殼的Mises應(yīng)力均能滿足材料強度要求，在蝸殼鋼板與座環(huán)連接處、蝸殼外露部位的應(yīng)力集中均比較明顯，尤其是直埋方案下，外露部位的應(yīng)力存在應(yīng)力突變，蝸殼鋼板整體結(jié)構(gòu)受力不均勻。顯然，在墊層方案下，不僅可以發(fā)揮埋入混凝土內(nèi)的蝸殼鋼板承擔內(nèi)水壓力的能力，還能使蝸殼整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(jié)構(gòu)型式受力特性對比研究，對同類工程具有一定參考意義。