大型機(jī)組蝸殼不同埋設(shè)方式的結(jié)構(gòu)開裂分析

陳 琴，蘇海東，崔建華，謝小玲

大型機(jī)組蝸殼不同埋設(shè)方式的結(jié)構(gòu)開裂分析

陳 琴a，b，蘇海東a，b，崔建華a，b，謝小玲a，b

（a.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心；b.長江科學(xué)院材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010）

三峽電站水輪機(jī)組蝸殼采用保壓、墊層、直埋3種埋設(shè)方式，其中左岸保壓方案機(jī)組已安全穩(wěn)定運(yùn)行，直埋方案為國內(nèi)首次應(yīng)用于大型機(jī)組。為比較不同埋設(shè)方式下的結(jié)構(gòu)開裂及位移等情況，并為墊層方案尤其是直埋方案機(jī)組提供借鑒，對(duì)蝸殼3種不同埋設(shè)方式下的蝸殼流道及外圍鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行開裂分析，研究裂縫分布、鋼襯鋼筋應(yīng)力、結(jié)構(gòu)位移等問題。計(jì)算結(jié)果表明：混凝土開裂范圍和結(jié)構(gòu)上抬位移均以直埋方案最大，保壓方案最??；墊層方案和保壓方案差別較小，可以成功運(yùn)用于三峽機(jī)組，而直埋方案只要采取有效的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，也能達(dá)到安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

三峽水電站；蝸殼埋設(shè)方式；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；開裂分析

1 研究背景

三峽電站水輪機(jī)組蝸殼采用保壓、墊層、直埋3種埋設(shè)方式。在26臺(tái)機(jī)組中，左岸14臺(tái)機(jī)組全部采用保壓方案，右岸12臺(tái)機(jī)組中有7臺(tái)采用保壓方案，4臺(tái)采用墊層方案，1臺(tái)采用直埋方案?？偨Y(jié)國內(nèi)外的工程實(shí)踐，3種埋設(shè)方式各具優(yōu)缺點(diǎn)。我國以往多采用墊層方案，近期的大型工程又多采用保壓方案，直埋方案在大型機(jī)組的應(yīng)用尚屬首次。

作為世界上在建的最大水電工程，三峽電站機(jī)組單機(jī)容量為700 MW，居國際前列，電站廠房的結(jié)構(gòu)尺寸巨大而復(fù)雜，因此，確保電站建成后的高效穩(wěn)定運(yùn)行，具有非常重要的意義。蝸殼進(jìn)口直徑為12.4 m，設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為1.40 MPa左右，蝸殼外圍混凝土相對(duì)較薄。不同的蝸殼埋設(shè)方式下，蝸殼及外圍混凝土結(jié)構(gòu)的受力及變形有著極大的區(qū)別，外圍鋼筋的布置也會(huì)不同，從而影響到蝸殼周圍的管路布置和施工。對(duì)于蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)，由三維接觸非線性分析［1］可知采用墊層方案和保壓方案時(shí)的承載比小于45%，由三維線彈性有限元計(jì)算［2］所得采用直埋方案時(shí)的平均承載比在85%以上。以上分析表明混凝土應(yīng)力在一部分區(qū)域已超過混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度，混凝土內(nèi)可能出現(xiàn)裂縫，尤其是采用直埋方案時(shí)甚至可能出現(xiàn)貫穿性裂縫，這對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行是不利的。另外，由于蝸殼及外圍混凝土結(jié)構(gòu)為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，內(nèi)水壓力所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的上抬變形也是不對(duì)稱的，混凝土開裂后，這種不均勻性會(huì)加大。而蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)是700MW巨型機(jī)組的主要承載體，同時(shí)也是電站廠房上部結(jié)構(gòu)的主要承載體和基礎(chǔ)，較大的混凝土結(jié)構(gòu)不均勻上抬，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行顯然是不利的。

目前，三峽電站左岸保壓方案機(jī)組已安全穩(wěn)定運(yùn)行，可為其它2種埋設(shè)方式尤其是直埋方案的機(jī)組提供借鑒。本文通過對(duì)采用不同埋設(shè)方式的三峽水輪機(jī)組蝸殼及外圍混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維接觸非線性分析及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂分析，比較蝸殼及外圍混凝土結(jié)構(gòu)的受力特性、裂縫分布、鋼板鋼筋應(yīng)力、結(jié)構(gòu)位移等，為大型機(jī)組蝸殼埋設(shè)方式的選擇應(yīng)用和安全穩(wěn)定運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)，并為今后大型工程的設(shè)計(jì)和實(shí)踐提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的分析必須進(jìn)行非線性有限元計(jì)算，才能取得較為符合實(shí)際的結(jié)果。在分析過程中，應(yīng)考慮混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變之間的非線性本構(gòu)關(guān)系、混凝土開裂后的表現(xiàn)并選擇合理的裂縫模式。本文計(jì)算所采用的MARC軟件，提供了有關(guān)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析的基本功能。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在混凝土出現(xiàn)主裂縫后，整個(gè)混凝土沿主拉應(yīng)力方向并非立即喪失承載能力，而是有一個(gè)逐漸喪失承載能力的過程，即拉伸軟化。在本文的計(jì)算中，混凝土采用圖1所示的拉伸軟化曲線［3～5］，壓 縮 塑 性 采 用Drucker-prager屈服準(zhǔn)則?？紤]到蝸殼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，裂縫采用分布模型，開裂面的剪力傳遞通過定義殘留抗剪系數(shù)來確定。鋼筋采用一維桿單元，通過埋入方法嵌入混凝土單元，程序自動(dòng)耦合自由度，依據(jù)鋼筋和混凝土單元位移協(xié)調(diào)原則，分別求出混凝土和鋼筋對(duì)單元?jiǎng)偠染仃嚨呢暙I(xiàn)，然后組合起來，求得綜合單元?jiǎng)偠染仃嚒?/p>

圖1 混凝土拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Tension stress-strain curve for concrete

采用以上計(jì)算方法，作者對(duì)三峽右岸電站15＃機(jī)組蝸殼直埋方案1∶12仿真模型試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算分析［4，5］，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好。

3 計(jì)算條件及計(jì)算方案

3.1 計(jì)算模型

墊層方案和保壓方案按照標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組段進(jìn)行計(jì)算；直埋方案取15＃機(jī)組段為研究對(duì)象；不同埋設(shè)方式下的混凝土結(jié)構(gòu)采取不同的結(jié)構(gòu)配筋。結(jié)構(gòu)上部取至高程67 m，下部取至高程40 m，上下游分別以廠壩分縫處和主廠房下游墻外表面為界，上下游平面寬度39 m，左右平面長度39.3 m（直埋方案為42.4 m）。

圖2 混凝土網(wǎng)格圖Fig.2 Finite element mesh of concrete

直埋方案計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。對(duì)可能出現(xiàn)裂縫的部位，網(wǎng)格進(jìn)行了加密。整個(gè)計(jì)算模型共劃分單元101 072個(gè)，結(jié)點(diǎn)108 256個(gè)，其中鋼筋單元53 309個(gè)?；炷痢⒆h(huán)和和固定導(dǎo)葉采用8結(jié)點(diǎn)六面體單元，鋼板采用4結(jié)點(diǎn)板單元，按實(shí)際厚度模擬，鋼筋采用2結(jié)點(diǎn)桿單元。

3.2 材料參數(shù)

C25混凝土：彈性模量28 GPa，重度25 k N／m3，泊松比0.167，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度1.75 MPa。墊層方案和保壓方案全部采用C25混凝土。

C40混凝土：彈性模量32.5 GPa，重度25 kN／m3，泊松比0.167，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度2.45 MPa。直埋方案部分區(qū)域采用C40混凝土。

鋼板：彈性模量210 GPa，重度78.5 kN／m3，泊松比0.3，厚度26～60 mm。

鋼筋：彈性模量210 GPa。鋼板和鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線采用理想彈塑性模型，屈服強(qiáng)度σs=310 MPa。

墊層：厚度3 cm，末端減薄為1 cm，彈性模量2.5 MPa。計(jì)算中采用正交各向異性模型，只考慮法向剛度。

3.3 荷載

正常運(yùn)行工況，相關(guān)荷載包括：①結(jié)構(gòu)自重；②蝸殼內(nèi)水壓力（含水擊壓力）：蝸殼中心高程57 m處的水壓，墊層方案和保壓方案為1.395 MPa，直埋方案為1.43 MPa，計(jì)及水重的影響，在混凝土開裂階段，每計(jì)算步施加水荷載0.02 MPa；③水輪機(jī)層樓面荷載0.02 MPa；④機(jī)組荷載。

3.4 計(jì)算方案

3.4.1 墊層方案

上半圓包墊層，敷設(shè)至腰線以下1 m，離機(jī)坑2～2.5 m范圍內(nèi)不敷設(shè)墊層，蝸殼末端一定范圍不敷設(shè)墊層；未敷設(shè)墊層的部位，鋼蝸殼與混凝土之間只法向傳力。

3.4.2 保壓方案

保壓水頭70 m，廠壩分縫下游5.8 m長范圍內(nèi)上半圓包墊層。

蝸殼保壓澆筑混凝土方式是涉及蝸殼充水打壓、保壓澆筑外圍混凝土、卸壓和重新充壓的復(fù)雜過程，文獻(xiàn)［1］的計(jì)算分析中即考慮了此過程，但目前的計(jì)算程序還不能滿足同時(shí)考慮混凝土與鋼板接觸狀態(tài)分析和混凝土開裂分析的需要?？紤]到充水保壓過程使得前70 m水頭的水荷載主要由蝸殼鋼板承擔(dān)，計(jì)算中作了簡化處理，只計(jì)剩余的69.5 m水頭由蝸殼及其外圍鋼筋混凝土聯(lián)合承載。計(jì)算時(shí)首先按照悶頭后的蝸殼與混凝土之間脫空考慮，施加自重及70 m水頭，再按鋼板與混凝土之間法向傳力，施加剩余的69.5 m水頭及機(jī)組荷載。

3.4.3 直埋方案

根據(jù)不同的配筋及采取的結(jié)構(gòu)措施組成的計(jì)算方案有多個(gè)，本文只列出其中兩個(gè)。直埋方案1：墊層敷設(shè)至廠壩分縫下游的7.5 m處，6層配筋方案，全部采用C25混凝土；直埋方案2：墊層敷設(shè)至蝸殼45°斷面，5層配筋方案，高程63.7～65.5 m采用C40混凝土，其它部位采用C25混凝土。

為便于分析比較，本文對(duì)以上幾種方案同時(shí)進(jìn)行了線性計(jì)算，以比較混凝土開裂對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響。

4 計(jì)算成果分析

4.1 裂縫分布

正常運(yùn)行工況（含水擊壓力）時(shí)的裂縫分布見圖3。墊層方案和保壓方案未出現(xiàn)貫穿性裂縫，因直管段左側(cè)的混凝土較薄，裂縫主要出現(xiàn)在該處腰部、腰線以下45°方向和鼻端部位，墊層方案開裂范圍較保壓方案稍大。直埋方案的直管段左側(cè)混凝土比其它兩方案的厚4.1 m，此處拉應(yīng)力較小，因而未出現(xiàn)裂縫，裂縫主要出現(xiàn)在座環(huán)附近、鼻端、蝸殼45°斷面和135°斷面附近。直埋方案1中，開裂范圍較大，且在直管段出現(xiàn)了貫穿性裂縫；直埋方案2采取了有效的加強(qiáng)措施，開裂區(qū)域大大減小，也沒有出現(xiàn)貫穿性裂縫。

圖3 裂縫分布圖Fig.3 Distribution of cracks

4.2 鋼筋鋼板應(yīng)力

3種埋設(shè)方式下的鋼筋應(yīng)力都小于150 MPa，小于鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。開裂部位的鋼筋應(yīng)力大于未開裂區(qū)域的鋼筋應(yīng)力；墊層方案和保壓方案的最大鋼筋應(yīng)力均位于直管段腰部裂縫處；直埋方案的最大鋼筋應(yīng)力位于鼻端附近的裂縫處。

三峽水電站的鋼蝸殼是按獨(dú)立承受百分之百設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)的。計(jì)算所得3種埋設(shè)方式下的鋼板應(yīng)力都小于200 MPa，小于鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，因此，鋼蝸殼的強(qiáng)度安全是可以保證的。

4.3 結(jié)構(gòu)位移

三峽機(jī)組的推力軸承安裝在發(fā)電機(jī)下機(jī)架上。為保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，要求機(jī)組各基礎(chǔ)板的上抬位移及相對(duì)上抬位移不能超過一定的限值。本文列出水荷載作用引起的定子及下機(jī)架基礎(chǔ)板處的上抬位移，見表1、表2及圖4、圖5，為便于比較，表中也列出了線彈性計(jì)算所得基礎(chǔ)部位的位移。

表1 水荷載作用下基礎(chǔ)板最大上抬位移Table 1 Maximal rising displacements of the base plate under water pressuremm

圖4 水荷載作用引起的定子基礎(chǔ)上抬位移Fig.4 Rising displacements of the stator base under water pressure

圖5 水荷載作用引起的下機(jī)架基礎(chǔ)上抬位移Fig.5 Rising displacements of the lower rack base under water pressure

在水荷載作用下，整個(gè)結(jié)構(gòu)都是上抬的，鼻端至蝸殼60°斷面是上抬位移較大的區(qū)域，基礎(chǔ)板在30°～90°與210°～270°的相對(duì)上抬位移最大，下機(jī)架基礎(chǔ)的上抬位移比定子基礎(chǔ)的大?；炷灵_裂后，結(jié)構(gòu)上抬位移也明顯增加，且與開裂區(qū)域及深度相關(guān)。

3種埋設(shè)方式之間比較：無論是線性計(jì)算還是開裂計(jì)算，基礎(chǔ)板的最大上抬位移均為直埋方案最大，墊層方案和保壓方案的線性計(jì)算結(jié)果比較接近，按開裂計(jì)算時(shí)，墊層方案的開裂范圍較保壓方案的大，因此其上抬位移也較保壓方案的大；直埋方案2由于采取了有效的加強(qiáng)措施，開裂區(qū)域相對(duì)方案1大幅減小，結(jié)構(gòu)上抬位移也相應(yīng)減小。墊層方案、保壓方案、直埋方案1、直埋方案2下機(jī)架基礎(chǔ)板的最大上抬位移按線彈性計(jì)算時(shí)分別為1.46，1.46，2.00，1.78 mm，按開裂計(jì)算時(shí)分別為1.89，1.60，3.55，2.41 mm；下機(jī)架基礎(chǔ)最大相對(duì)上抬位移：按線彈性計(jì)算時(shí)分別為0.88，0.82，0.98，0.99 mm，按開裂計(jì)算時(shí)分別為1.16，0.98，2.17，1.30 mm。

5 結(jié)語

通過對(duì)三峽電站水輪機(jī)組蝸殼3種不同埋設(shè)方式下的蝸殼流道及外圍鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行開裂分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）直埋方案開裂范圍最大，保壓方案開裂范圍最小。直埋方案采取合理的限裂措施后，可避免出現(xiàn)貫穿性裂縫。

（2）無論是線彈性計(jì)算還是開裂計(jì)算，基礎(chǔ)板的上抬位移均以直埋方案最大，墊層方案和保壓方案的線彈性計(jì)算結(jié)果比較接近；按開裂計(jì)算時(shí)則墊層方案稍大，墊層方案和直埋方案下機(jī)架基礎(chǔ)最大相對(duì)上抬位移分別比保壓方案大0.18，0.32 mm。

（3）3種埋設(shè)方式下的鋼筋、鋼板應(yīng)力都小于200 MPa，小于鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，可以保證蝸殼及外圍混凝土的強(qiáng)度安全。

（4）從裂縫范圍、位移、蝸殼鋼板及鋼筋應(yīng)力等方面比較，墊層方案與保壓方案的差別不大，鑒于左岸保壓方案機(jī)組已穩(wěn)定運(yùn)行，認(rèn)為墊層方案可以成功運(yùn)用于三峽機(jī)組，而直埋方案只要采取有效的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，也能達(dá)到安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

［1］ 蘇海東，陳 琴，謝小玲，等.三峽右岸電站蝸殼流道及外圍混凝土靜力分析報(bào)告（墊層方案和保壓方案）［R］.武漢：長江科學(xué)院，2006.

［2］ 陳 琴，蘇海東.三峽右岸電站15＃機(jī)組蝸殼直埋方案結(jié)構(gòu)計(jì)算分析研究報(bào)告［R］.武漢：長江科學(xué)院，2006.

［3］ 江見鯨.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元分析［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

［4］ 張 杰，陳 琴，何英杰，等.三峽右岸電站15＃機(jī)組蝸殼直埋方案仿真模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.武漢：長江科學(xué)院，2006.

［5］ 陳 琴，林紹忠，張 杰.三峽電站直埋式蝸殼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆蔷€性有限元分析［J］.武漢：長江科學(xué)院院報(bào)，2007，（2）：51-54.

Crack Analysis on Spiral Case Structure of Large-scale Turbine Units with Different Embedded Manners

CHEN Qin，SU Hai-dong，CUI Jian-hua，XIE Xiao-ling
（Research Center on Water Engineering Safety and Disaster Prevention of Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

There are three manners of spiral cases embedment in concrete in TGP，i.e.，spirals are embedded with keeping constant internal pressure，embedded with cushion layers and embedded directly.The turbine units on the left bank，in which the spiral case was embedded with constant internal pressure，have operated safely for some years.Applying the spiral case embedded directly in large-scale turbine was the first time in domestic project.In order to compare and analyze the structure cracks and displacements under different embedded manners，and furthermore，to provide a reference for cushion layers method and embedded directly method，crack analysis on the spiral case flow passage and outer reinforced concrete structure was carried out.The distribution of cracks，stresses of steel liner and rising displacements of the structure were studied.The computed results showed that the concrete cracks range and rising displacements of the structure are the largest in direct embedment manner，that those are the least in embedment manner with keeping constant internal pressure，and that there is a little difference result between cushion layers manner and keeping constant internal pressure manner，therefore，two manners can be adopted successfully in TGP turbine units.The direct embedment manner can also make the units operation safety when the effectively strengthening structure measure is adopted.

TGP hydroelectric power station；embedding manner of spiral case；reinforced concrete structure；crack analysis

TV311

A

1001-5485（2009）04-0040-04

2008-05-30；

2008-11-12

國家自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目（50539010）

陳 琴（1971-），女，湖北鐘祥人，高級(jí)工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)研究，（電話）027-82829754（電子信箱）chenqin8317＠163.com。

（編輯：劉運(yùn)飛）