固增水電站墊層蝸殼有限元一體化計算分析

張正香，王雪，蔣裕飛

（1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，成都 610072；2.中國水利水電第七工程局有限公司，成都 610213）

1 工程概況

固增水電站是木里河干流水電規(guī)劃推薦的“一庫六級”開發(fā)方案的第5 個梯級電站，采用引水式開發(fā)方式。電站正常蓄水位2 215.00 m，總庫容4.84×105m3。電站廠房為岸邊式地面廠房，廠房建筑物主要由主廠房、開關(guān)站和尾水渠組成，廠房內(nèi)設(shè)有4 臺機(jī)組，單機(jī)43 MW，總裝機(jī)172 MW。機(jī)組安裝高程2 081.80 m，機(jī)組間距13 m。蝸殼采用墊層蝸殼[1]，墊層厚度為20 mm，蝸殼進(jìn)口最大直徑為3.1 m，蝸殼外緣最大尺寸為4.548 m。最大工作水頭129 m，最小工作水頭105.4 m，額定水頭106 m。

2 有限元一體化

2.1 計算方法

對墊層蝸殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析時，在將鋼襯和混凝土之間、鋼襯與墊層之間假定為完全黏結(jié)的前提下，可采用共結(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行計算，求解方法簡單方便。

2.2 計算模型及材料參數(shù)

水電站廠房蝸殼結(jié)構(gòu)有限元設(shè)計分析一體化程序，主要包含CATIA 界面插件和Abaqus 自動化程序2 部分。選取2#機(jī)組段作為典型進(jìn)行蝸殼結(jié)構(gòu)有限元計算，并確定2#機(jī)組段蝸殼關(guān)鍵部位的受力情況。其他機(jī)組段受力參照2#機(jī)組段。

三維有限元計算模型包括機(jī)墩風(fēng)罩、蝸殼外部混凝土、座環(huán)、鋼蝸殼，全部按照設(shè)計尺寸建模。對于鋼襯，實(shí)際采取的網(wǎng)格是四邊形與三角形混合。其中，四邊形的類型采用S3R單元，三角形將默認(rèn)采用S3R 單元；混凝土、座環(huán)采用C3D4單元。同時，鋼襯單元與混凝土單元網(wǎng)格尺寸相當(dāng)。整體結(jié)構(gòu)模型的單元總數(shù)為33 137 個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為8 586 個。墊層參數(shù)通過墊層程序設(shè)置界面進(jìn)行設(shè)置，各部件材料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各部件材料力學(xué)材料參數(shù)

2.3 計算工況

計算一般選取額定運(yùn)行工況、甩負(fù)荷工況、蝸殼放空工況進(jìn)行蝸殼有限元計算分析，根據(jù)電站的實(shí)際運(yùn)行工況，甩負(fù)荷工況下蝸殼、座環(huán)及外圍混凝土受到的影響最大。因此，將機(jī)組甩負(fù)荷作為墊層蝸殼-混凝土有限元一體化分析的控制工況。該工況下蝸殼的最大內(nèi)水壓力為1.74 MPa。

2.4 荷載及邊界條件

計算荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、樓面活荷載、機(jī)組設(shè)備荷載和蝸殼內(nèi)水壓力：（1）結(jié)構(gòu)自重、樓面活荷載相同，程序根據(jù)參數(shù)輸入自行加載計算；（2）發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)層樓面均布活荷載分別為20 kN/m2、10 kN/m2；（3）甩負(fù)荷工況承受內(nèi)水壓應(yīng)力為1.74 MPa。

根據(jù)實(shí)際模型，模型底面取固定約束，上游面、下游面及左側(cè)面取法相約束，右側(cè)面及頂部取為自由面。

3 計算結(jié)果分析

根據(jù)計算結(jié)果，整理了甩負(fù)荷工況下鋼蝸殼和外圍混凝土典型斷面的環(huán)向應(yīng)力和水流向的應(yīng)力成果，其中拉應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負(fù)。由于靠近鼻端的進(jìn)口斷面形狀極不規(guī)則，水流進(jìn)入蝸殼內(nèi)較為紊亂，易造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，因而可選取1#、2#截面；由于蝸殼鼻端斷面尺寸最小、流速大，受力集中且比較大，故選取8#、9#斷面等進(jìn)行分析。

3.1 蝸殼外圍混凝土應(yīng)力分析

根據(jù)蝸殼及外圍混凝土結(jié)構(gòu)有限元計算結(jié)果可知，在甩負(fù)荷工況下，部分蝸殼外圍混凝土典型斷面特征點(diǎn)應(yīng)力成果見表2。蝸殼進(jìn)口及蝸殼下部甩負(fù)荷工況主應(yīng)力分布分別見圖1、圖2。

圖1 蝸殼進(jìn)口甩負(fù)荷工況主應(yīng)力分布

圖2 蝸殼下部甩負(fù)荷工況主應(yīng)力分布

表2 蝸殼外圍混凝土典型斷面特征點(diǎn)應(yīng)力

從甩負(fù)荷工況下蝸殼外圍混凝土應(yīng)力云圖及典型斷面特征點(diǎn)應(yīng)力成果可以看出：

1）蝸殼外圍混凝土環(huán)向應(yīng)力大部分為拉應(yīng)力，大部分區(qū)域沿徑向遠(yuǎn)離蝸殼的點(diǎn)拉應(yīng)力逐漸減小。蝸殼外圍混凝土大部分區(qū)域水流向應(yīng)力小于環(huán)向應(yīng)力，局部位置的水流向應(yīng)力為壓應(yīng)力。

2）甩負(fù)荷工況下，蝸殼和外圍混凝土共同承擔(dān)1.74 MPa的內(nèi)水壓力；此外，甩負(fù)荷工況下的混凝土的拉應(yīng)力區(qū)域面積及特征點(diǎn)拉應(yīng)力最大。

3）由圖1、圖2 可知，當(dāng)甩負(fù)荷工況、額定運(yùn)行工況及蝸殼放空工況時，蝸殼周圍混凝土絕大部分區(qū)域拉應(yīng)力都沒有超過C25 混凝土的設(shè)計抗拉強(qiáng)度。

4）額定運(yùn)行、甩負(fù)荷及蝸殼放空3 種工況下直管段腰線下-90°～-45°部位及座環(huán)頂部和底部拉應(yīng)力均較大，屬配筋關(guān)鍵部位。

5）由圖1、圖2 可以看出，在彈性層鋪設(shè)范圍內(nèi)，蝸殼外圍混凝土應(yīng)力得到明顯改善，遠(yuǎn)小于未鋪設(shè)軟彈性層管節(jié)處外圍混凝土的應(yīng)力，這說明彈性層的設(shè)置對改善混凝土的應(yīng)力狀況作用明顯。

3.2 配筋方案

根據(jù)蝸殼結(jié)構(gòu)在額定運(yùn)行、甩負(fù)荷及蝸殼放空3 種工況下的計算結(jié)果可知，蝸殼外圍混凝土在甩負(fù)荷工況下應(yīng)力值最大。對此，可選取甩負(fù)荷工況為最不利工況計算蝸殼外圍混凝土的配筋。

根據(jù)結(jié)構(gòu)配筋計算方法，整理了直管段1#、2#，彎曲段8#、9#4 個代表性斷面特征部位上所需的配筋面積，經(jīng)開裂驗(yàn)算修正蝸殼外圍混凝土各代表性斷面配筋面積見表3。

表3 蝸殼外圍混凝土各代表性斷面配筋面積

4 結(jié)語

水電站墊層蝸殼及外圍混凝土受力特性極為復(fù)雜。本文結(jié)合在建的固增水電站，運(yùn)用蝸殼一體化程序進(jìn)行了蝸殼及外圍混凝土的數(shù)值仿真計算，確定了主電站廠房蝸殼結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)及配筋參數(shù)，保證了蝸殼結(jié)構(gòu)安全。同時，采用一體化程序簡單快捷且提高了計算效率。