溪洛渡水電站蝸殼墊層幾何參數(shù)的選擇

張運(yùn)良，韓 濤，張存慧，李正星，侯 攀，趙曉峰

（1.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072）

0 引言

蝸殼墊層材料參數(shù)和幾何參數(shù)的選擇是近些年來單機(jī)容量達(dá)700 MW級(jí)巨型水電站廠房設(shè)計(jì)時(shí)比較關(guān)心的問題，它影響著蝸殼外圍混凝土對內(nèi)水壓力的承載比例、配筋及損傷或開裂，進(jìn)而影響蝸殼局部和廠房整體的強(qiáng)度與剛度性能。為此，國內(nèi)有關(guān)科研和設(shè)計(jì)單位做了大量的研究工作，取得了豐富的成果[1，5]。但是，由于各電站廠房在布置、尺寸、施工和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面存在較大的差異，研究成果不能簡單套用。本文結(jié)合單機(jī)容量達(dá)770 MW的溪洛渡電站的實(shí)際情況，對蝸殼墊層的鋪設(shè)范圍及厚度選擇進(jìn)行研究，供設(shè)計(jì)時(shí)參考。

1 工程概況

溪洛渡水電站地下主廠房采取一機(jī)一縫的布置方式。鋼蝸殼位于主廠房下部大體積混凝土中，進(jìn)口直徑7.2 m，平面最大寬度27.69 m，設(shè)計(jì)最大內(nèi)水壓力2.87 MPa（含水擊壓力），最大HD值達(dá)2 066 m2，而龍灘、拉西瓦和三峽電站蝸殼最大HD值分別為2 105、1 876、1 730 m2。與這三座電站不同的是，溪洛渡水電站每個(gè)機(jī)組段在蝸殼層還設(shè)置了一個(gè)技術(shù)供水泵房室，尺寸為24 m×5.66 m×5.5 m（長×寬×高）。由于蝸殼外圍混凝土的幾何形狀復(fù)雜，尺寸較大，且預(yù)留孔洞、埋件及機(jī)電管路眾多，混凝土厚度最薄部位約1.5 m，因此，蝸殼的結(jié)構(gòu)安全引起了設(shè)計(jì)方的高度重視。

2 計(jì)算概況

經(jīng)前期研究及綜合分析，確定了溪洛渡電站蝸殼墊層材料參數(shù)和幾何參數(shù)的初步選擇范圍為：墊層鋪設(shè)厚度取2、2.5 cm和3 cm三種，蝸殼子午斷面內(nèi)墊層包角取從蝶形邊往外約1.5 m處延伸到腰線0°和15°處兩種，墊層平面鋪設(shè)范圍取從直管段進(jìn)口開始沿水流向墊層敷設(shè)至蝸殼90°、135°和150°斷面三種。在進(jìn)行優(yōu)選墊層鋪設(shè)厚度及包角時(shí)，進(jìn)行線彈性計(jì)算，控制目標(biāo)取蝸殼外圍混凝土內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力；在進(jìn)行墊層平面鋪設(shè)范圍比選時(shí)，則進(jìn)行非線性鋼筋混凝土有限元分析，控制原則是下機(jī)架基礎(chǔ)相對上抬位移，蝸殼外圍混凝土的裂縫寬度是否滿足要求及是否形成貫穿性裂縫。

機(jī)組由東電、哈電和西門子三個(gè)制造廠家提供。由于東電公司鋼蝸殼進(jìn)口直徑尺寸最大且進(jìn)口斷面蝸殼外圍混凝土厚度較薄，故選取該公司的典型中間機(jī)組段建立了蝸殼單體計(jì)算有限元模型 （見圖1）。模擬范圍從錐管底高程346.1 m取至機(jī)墩頂高程368.76 m，真實(shí)詳細(xì)地考慮了下機(jī)架進(jìn)人廊道、射流器坑、冷卻器坑、接力器坑、水輪機(jī)機(jī)坑 （設(shè)兩個(gè)進(jìn)人廊道）、蝸殼進(jìn)人廊道、尾水管操作廊道、錐管進(jìn)人廊道、技術(shù)供水泵房室等孔洞。

圖1 蝸殼組合結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格

計(jì)算荷載考慮了內(nèi)水壓力、結(jié)構(gòu)自重，機(jī)組荷載及樓面活荷載等主要荷載。邊界條件處理：在機(jī)組段兩側(cè)，考慮結(jié)構(gòu)分縫，按自由邊界處理；在上下游側(cè)和左右側(cè)的結(jié)構(gòu)與圍巖接觸部位，采用僅有壓力效應(yīng)的水平彈性支撐模擬巖體的彈性抗力作用；模型底部采用固定約束，上游側(cè)蝸殼直管段進(jìn)口端為軸向約束。鋼蝸殼、座環(huán)、固定導(dǎo)葉、尾水管鋼襯和機(jī)井里襯均采用平面板殼單元模擬；外圍混凝土和墊層均采用實(shí)體單元模擬；鋼襯和混凝土之間采用接觸單元模擬，摩擦系數(shù)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.25。建模過程中忽略了次要上部結(jié)構(gòu)的影響。在進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，圍巖、鋼材及墊層均按彈性材料處理；對蝸殼外圍混凝土，當(dāng)進(jìn)行線彈性和非線性分析時(shí)，分別按彈性和彈脆性、具有開裂特性的材料對待。在進(jìn)行鋼筋混凝土非線性有限元分析時(shí)，為減小計(jì)算代價(jià)并不失工程精度，裂縫采用彌散式模型，采用ANSYS中的Solid65單元模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，破壞準(zhǔn)則為William-Warnke五參數(shù)準(zhǔn)則。不考慮鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移。計(jì)算材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

3 計(jì)算成果與分析

首先進(jìn)行了甩負(fù)荷工況 （以蝸殼內(nèi)水壓力2.87 MPa為主的荷載作用）的線彈性靜力計(jì)算，完成了墊層厚度和包角的敏感性分析，具體計(jì)算過程限于篇幅略。從改善蝸殼外圍混凝土環(huán)向應(yīng)力、節(jié)省材料及便于施工等角度來看，墊層厚度取2 cm，墊層下端鋪設(shè)至腰線0°處是合理可行的。本文將其作為確定參數(shù)進(jìn)行下面的分析。同時(shí)，根據(jù)線彈性計(jì)算給出的蝸殼子午斷面環(huán)向拉應(yīng)力分布圖形，對蝸殼外圍混凝土的配筋方案 （此處不包括機(jī)墩的配筋）提出建議，即沿水流方向從進(jìn)口直管段到270°斷面及至鼻端，在靠近鋼襯一側(cè)混凝土配置2層φ36環(huán)向鋼筋，間距為200 mm；混凝土外側(cè)配置1層φ36豎向鋼筋，間距200 m；鑒于從進(jìn)口直管段到0°斷面這一范圍蝸殼外圍混凝土較薄，在腰線最外側(cè)加配一層φ36豎向鋼筋，間距取200 mm。水流向鋼筋則隨環(huán)向鋼筋配置層數(shù)，直徑取φ32或φ28，間距取200 mm。采用水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元方法進(jìn)行墊層平面鋪設(shè)范圍的敏感性分析，考慮混凝土材料在拉應(yīng)力作用下的開裂特性。最后，考察了3種墊層平面鋪設(shè)范圍對蝸殼組合結(jié)構(gòu)自振特性的影響，得到如下結(jié)論：

（1）無論何種墊層平面鋪設(shè)范圍，水流向鋼筋應(yīng)力多為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力值不大；對于進(jìn)口直管段，環(huán)向鋼筋應(yīng)力最大部位多出現(xiàn)在腰線0°最外層 （即第3層）豎向鋼筋，分析原因可能是此處混凝土厚度較薄。另外，腰線下45°處最內(nèi)層 （即第1層）鋼筋拉應(yīng)力值也較大；對于已鋪設(shè)墊層區(qū)域的各斷面 （從0°斷面開始），各環(huán)向鋼筋應(yīng)力最大部位多出現(xiàn)在最內(nèi)層 （即第1層）鋼筋腰線上45°位置。對于0°～270°斷面沒有鋪設(shè)墊層的區(qū)域，各環(huán)向鋼筋應(yīng)力最大部位多出現(xiàn)在最內(nèi)層 （即第1層）鋼筋腰線上90°（蝸殼頂部）或腰線上45°處。鋪設(shè)墊層區(qū)域的鋼筋拉應(yīng)力一般低于未鋪設(shè)墊層區(qū)域，說明墊層鋪設(shè)效果明顯?；炷灵_裂后，更大比例的內(nèi)水壓力將轉(zhuǎn)移至由鋼襯承擔(dān)。

（2）墊層平面鋪設(shè)范圍越大，內(nèi)層環(huán)向鋼筋應(yīng)力越小 （與未鋪設(shè)墊層區(qū)域的鋼筋應(yīng)力相比），混凝土開裂區(qū)域越小，墊層鋪設(shè)效果越明顯。在未鋪設(shè)墊層的區(qū)域，各方案中鋼筋應(yīng)力相差不大。

（3）根據(jù)蝸殼子午斷面環(huán)向鋼筋應(yīng)力估算外圍混凝土的徑向裂縫寬度。墊層鋪設(shè)至90°方案的混凝土最大裂縫寬度為0.371 mm，發(fā)生在135°斷面腰線上45°靠近鋼襯的混凝土內(nèi)側(cè)；墊層鋪設(shè)至135°方案，混凝土最大裂縫寬度為0.274 mm，發(fā)生在180°斷面腰線上45°靠近鋼襯的混凝土內(nèi)側(cè)；墊層鋪設(shè)至150°方案，混凝土最大裂縫寬度為0.235 mm，發(fā)生在180°斷面內(nèi)腰線上45°靠近鋼襯的混凝土內(nèi)側(cè)。三種墊層鋪設(shè)方案直管段混凝土最大裂縫寬度均低于0.2 mm。墊層鋪設(shè)至135°或150°均可滿足最大裂縫寬度限值0.3 mm的要求，但墊層鋪設(shè)至150°方案最大裂縫寬度最小。

（4）進(jìn)口直管段腰部附近、座環(huán)頂部和底部、蝸殼頂部，水泵房一側(cè)腰部 （混凝土較薄）均出現(xiàn)了一定的開裂區(qū)。墊層平面鋪設(shè)至150°方案，蝸殼外圍混凝土的開裂范圍最??；墊層平面鋪設(shè)至90°方案，蝸殼外圍混凝土的開裂范圍最大，即隨著墊層平面鋪設(shè)范圍的增大，蝸殼外圍混凝土的開裂范圍隨之減小。當(dāng)墊層平面鋪設(shè)至 90°和135°的情況下，在水泵房斷面處蝸殼腰線以上部位有貫穿性裂縫存在 （見圖2）；當(dāng)墊層平面鋪設(shè)至150°的情況下，在150°斷面無貫穿性裂縫產(chǎn)生 （見圖3）。對135°鋪設(shè)方案，增加配筋或增大墊層厚度后，裂縫分布范圍雖有所減小，但改善效果甚微；且在直管段進(jìn)口到蝸殼0°范圍左側(cè)腰線部位，以及沿水流向90°～80°范圍內(nèi)，機(jī)墩外緣的貫穿性裂縫仍不可避免。

圖2 內(nèi)水壓力2.87 MPa作用下，蝸殼外圍混凝土在水泵房處的開裂范圍分布

圖3 內(nèi)水壓力2.87 MPa作用下，墊層平面鋪設(shè)至150°，蝸殼外圍混凝土的開裂區(qū)

（5）墊層平面鋪設(shè)至150°方案，下機(jī)架基礎(chǔ)板和定子基礎(chǔ)板的豎向絕對位移和相對位移均最??；墊層平面鋪設(shè)至90°方案最大。即隨著墊層平面鋪設(shè)范圍的增大，各基礎(chǔ)板的豎向上抬位移隨之減小。無論何種墊層平面鋪設(shè)方案，支臂180°兩端下機(jī)架和定子基礎(chǔ)板的最大豎向相對位移均小于1 mm，滿足機(jī)組制造廠家的要求。

（6）墊層平面鋪設(shè)范圍的變化對蝸殼組合結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響很小，基本自振頻率約為16.84 Hz。隨著墊層平面鋪設(shè)范圍的增大，蝸殼組合結(jié)構(gòu)的自振頻率逐漸降低，與機(jī)組主振源不存在明顯的共振區(qū)間，共振復(fù)核滿足要求。

4 結(jié)論

根據(jù)上述分析，與墊層平面鋪設(shè)至90°和135°方案相比，墊層平面鋪設(shè)至150°方案下各基礎(chǔ)板最大豎向相對上抬位移最小，最大裂縫寬度最小，在泵房區(qū)幾乎不產(chǎn)生貫穿性裂縫，且不會(huì)發(fā)生與機(jī)組主要振源的共振。因此，針對溪洛渡電站東電機(jī)組制造廠家鋼蝸殼，建議墊層參數(shù)為：墊層彈性模量2.5 MPa，厚度取2 cm，子午斷面內(nèi)從蝶形邊往外約1.5 m處延伸到腰線處，從直管段進(jìn)口沿水流向墊層平面鋪設(shè)至150°斷面。

本文的研究方法與思路以及有關(guān)成果，對未來單機(jī)容量達(dá)1 000 MW級(jí)超大型機(jī)組蝸殼結(jié)構(gòu)形式的選擇及優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

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