水電站廠房蝸殼結(jié)構(gòu)靜動力分析

卓歡

【摘要】水電站廠房在水電站樞紐中是非常重要的組成部分，可以將水能轉(zhuǎn)換為電能，一般情況下水電站廠房支承結(jié)構(gòu)主要由蝸殼、風罩等結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成，在運行過程中會受到靜力荷載的作用，廠房振動問題嚴重影響了水電站的正常運行。鑒于此，筆者從不同角度展開水電站廠房蝸殼結(jié)構(gòu)靜動力分析。

【關(guān)鍵詞】水電站廠房；蝸殼結(jié)構(gòu)；靜動力分析

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力資源越來越緊缺，一大批水電工程開始陸續(xù)建立起來，水電開發(fā)不僅為工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了能源，同時因為燃煤帶來的污染等相關(guān)問題也得到了緩解，還大大促進了旅游、航運以及水產(chǎn)等相關(guān)項目的發(fā)展，在水利樞紐中水電站廠房是非常重要的組成部分之一，因此其安全性問題逐漸引起了人們的重視。

1蝸殼結(jié)構(gòu)的埋設方式

蝸殼結(jié)構(gòu)在計算過程中往往要與某種蝸殼埋設方式相結(jié)合，現(xiàn)階段我國主要采用的結(jié)構(gòu)形式有三種：第一，將軟墊層鋪設在鋼蝸殼外上部的相應范圍內(nèi)，然后將其外圍澆筑混凝土，形成墊層蝸殼；第二，在充水保壓的狀態(tài)下，鋼蝸殼外圍澆筑了一層混凝土之后形成保壓蝸殼；第三，直接將混凝土澆筑在剛蝸殼上，不設置墊層或者充水保壓，混凝土和蝸殼共同承載，這樣就形成了直埋蝸殼。通過對國內(nèi)外大量工程實踐的總結(jié)分析可以看出，以上三種蝸殼結(jié)構(gòu)形式各有優(yōu)缺點，目前都有廣泛的應用。筆者認為，充分借助有限元等現(xiàn)代數(shù)值分析法，可以基本上解決蝸殼結(jié)構(gòu)靜力上存在的強度與變形等相關(guān)問題。

2廠房蝸殼動力分析的有關(guān)內(nèi)容

蝸殼結(jié)構(gòu)的動力分析并不是利用靜力分析的那套理論，必要條件下需要選取廠房整體或者一部分巖石來進行分析。目前動力分析的研究主要集中在下面幾方面：首先，彈性模量、范圍選擇等墊層參數(shù)對廠房整體及蝸殼局部動力特征的影響；其次，在一系列內(nèi)源激烈作用的影響下，三種埋設方式的廠房蝸殼動力反應特點分析和研究；第三，直埋蝸殼因為流道內(nèi)壓力而引起蝸殼外圍混凝土內(nèi)貫穿性損傷及分裂的存在，對廠房和機組運行穩(wěn)定性造成的影響等等。通過大量實踐研究發(fā)現(xiàn)，蝸殼的埋設方式并不會對廠房及蝸殼整體剛度帶來太大的影響，也不會控制機組運行的穩(wěn)定性。

3水電站廠房蝸殼結(jié)構(gòu)靜動力分析的主要問題分析

本文以某水電站作為工程背景，針對廠房蝸殼結(jié)構(gòu)展開靜動力分析，通過對目前國內(nèi)外研究情況的總結(jié)來看，我們可以通過以下幾方面展開深入分析。

3.1墊層材料

墊層材料主要應用在壓力管道和蝸殼上，目前國內(nèi)外已經(jīng)針對其殘余變形、疲勞、徐變應力性能等方面進行了較多研究，但是在機組振源、地震等動荷載影響下的動力非線性應力應變關(guān)系等方面還未開展研究。隨著機組廠房和蝸殼尺寸的逐漸增大，振動的問題越來越突出，廠房蝸殼的結(jié)構(gòu)動力剛度是否會因為墊層的存在而被削弱，為廠房振動帶來某些影響，還需要與墊層材料的實際動態(tài)應力應變關(guān)系相結(jié)合展開深入的研究?，F(xiàn)階段在動力分析時模型、計算假定等處理比較簡單，例如建立模型時基本上會假定墊層作為線彈性材料，通過對靜力線性應力應變關(guān)系來得到壓縮模量，墊層實際上屬于較軟的彈塑性材料，在廠房及蝸殼振動過程中必然會顯示出動力非線性特征。

3.2混凝土開裂對廠房蝸殼動力特征的影響

直埋蝸殼的優(yōu)點在于工期短、程序簡單、可以提供較大的整體靜力剛度，近年來頗受業(yè)界人士的關(guān)注。大型電站中直埋蝸殼的尺寸比較大，剛度比較弱，加上HD值又高，在混凝土厚度較薄的位置通常會產(chǎn)生一些集中裂縫，雖然現(xiàn)階段蝸殼設計都是按照混凝土結(jié)構(gòu)進行設計的，但是配筋并不能對裂縫的產(chǎn)生進行阻止，只能達到限制裂縫擴展的作用。從靜力變形角度上來看，直埋蝸殼結(jié)構(gòu)經(jīng)過配筋之后通?？梢詽M足相關(guān)規(guī)范的要求，但是水電廠房中發(fā)生作用的水力振動荷載以及電氣荷載等，這些均長期持續(xù)的存在，在一些高烈度地震區(qū)還會起到短時間的強地震作用，在這些荷載的影響下，大量裂縫的存在會對廠房及蝸殼上部結(jié)構(gòu)的抗震及振動性能產(chǎn)生影響。通常情況下已有的裂縫會對材料的力學性能產(chǎn)生改變，從本質(zhì)上來說，已含有裂縫等損傷的混凝土結(jié)構(gòu)其動力響應問題會顯示出非線性特征。在地震荷載及脈動水壓力的影響下，結(jié)合某機組段需要對其開裂地面蝸殼結(jié)構(gòu)的動力反應及特征進行深入分析。雖然目前已經(jīng)研究完成了軸對稱蝸殼結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，同時水動力作用下直埋蝸殼結(jié)構(gòu)的動力響應研究也取得了一些成果，但是這遠遠不夠，還需要進行更深一步的研究，利用斷裂及損傷力學理論針對廠房及蝸殼展開動力分析。

3.3流-固耦合效應

蝸殼流道中含有大量的水體，可能會對結(jié)構(gòu)動力特征產(chǎn)生重大影響，其影響還需要進行深入的研究，這與流-固耦合問題直接相關(guān)、相互作用。目前多數(shù)情況下會基于機組部件的振動特征對流固耦合的影響加以考慮，在廠房及蝸殼結(jié)構(gòu)振動特征方面僅做了一些簡化性的研究，通常將水體影響簡化成為附加在流道中的動水質(zhì)量，雖然這樣的分析對于一般的蝸殼結(jié)構(gòu)還可以體現(xiàn)出一定的合理性，但是在巨型蝸殼的動力特征研究中卻存在非常大的誤差，這時將流-固耦合動力學理論引入到巨型蝸殼動力特征分析中，可以收到意想不到的成果。

3.4地下廠房的動力分析模型

出于抽水蓄能電站建設的需要，加上我國西部地區(qū)地質(zhì)與地形上的限制，多將發(fā)電廠布置為地下式，雖然從安全級別上來說地下廠房不像大壩那樣重要，但是在整個水電站中它是重要的樞紐，一旦廠房內(nèi)部振源振動較強，可能會造成廠房及周邊圍巖的破壞，所以目前地下廠房動力特性分析受到越來越多人的重視。在現(xiàn)階段的地下廠房動力分析中，通常采用模擬圍巖對廠房的動力作用展開靜力分析，這種做法僅能為其提供靜態(tài)的彈性支撐，很明顯，從動力分析上來看，這種做法在理論上是不妥的，同時這種方法并沒有對圍堰介質(zhì)的結(jié)合輻射阻尼吸收振動散射波的作用進行考慮，在截斷邊界產(chǎn)生虛假反射，圍巖范圍的計算結(jié)果將會出現(xiàn)嚴重的失真現(xiàn)象。大量研究表明，要想不對結(jié)構(gòu)動力反應產(chǎn)生影響，圍巖范圍需要滿足下面的條件：

≥

式中， 、 、 分別代表三個指標： 為從邊界到結(jié)構(gòu)邊緣或中心之間的最短距離； 為巖石介質(zhì)最大波速； 為總計算時長。

結(jié)語：

綜上所述，電力工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要基礎，對社會經(jīng)濟的發(fā)展直觀重要。在目前能源危機越來越嚴重的情況下，水電站建設快速發(fā)展，很多大容量、高水頭的水電站不斷興建。基于上述從不同角度針對廠房蝸殼結(jié)構(gòu)靜動力的分析，可見廠房蝸殼的結(jié)構(gòu)動力剛度是因為墊層的存在而被削弱，在廠房及蝸殼振動過程中必然會顯示出動力非線性特征；已有的裂縫會對材料的力學性能產(chǎn)生改變，從本質(zhì)上來說，已含有裂縫等損傷的混凝土結(jié)構(gòu)其動力響應問題會顯示出非線性特征；蝸殼流道中含有大量的水體，可能會對結(jié)構(gòu)動力特征產(chǎn)生重大影響，與流-固耦合問題具有直接的關(guān)系。采用模擬圍巖對廠房的動力作用展開靜力分析，這種做法僅能為其提供靜態(tài)的彈性支撐，并沒有對圍巖介質(zhì)的結(jié)合輻射阻尼吸收振動散射波的作用進行考慮。因此，應當加深研究水電站廠房蝸殼結(jié)構(gòu)靜動力的分析，從而降低水電站建設的風險，促進我國電力產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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