李 瑤，李 旭

(華能瀾滄江水電股份有限公司，昆明 650000)

某抽水蓄能電站充水保壓蝸殼保壓值優(yōu)化研究

李 瑤，李 旭

(華能瀾滄江水電股份有限公司，昆明 650000)

針對某抽水蓄能電站充水保壓蝸殼，采用三維非線性有限元法，對不同的保壓值下鋼蝸殼及環(huán)向鋼筋應(yīng)力、外圍混凝土應(yīng)力及承載比、鋼蝸殼與外圍混凝土的接觸狀態(tài)等進(jìn)行了對比分析。研究結(jié)果表明，保壓值越大對外圍混凝土的受力越有利，但過大的保壓值會使得蝸殼與外圍混凝土之間出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，這對機(jī)組運(yùn)行是不利的。該水電站蝸殼保壓值為496 m左右時(shí)，可以在保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的前提下更大程度的發(fā)揮鋼材及混凝土受力特性。關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站;充水保壓;蝸殼;保壓值；優(yōu)化;非線性有限元法

目前大容量水輪機(jī)蝸殼的結(jié)構(gòu)型式主要有3種：墊層埋置方式、直埋式和充水保壓埋置方式[1]。與墊層埋置方式相比，大型水電站蝸殼常采用“充水保壓”的埋置方式，可以使鋼蝸殼與外包鋼筋混凝土緊密結(jié)合成整體，有利于機(jī)組運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性[2]。隨著更多的大容量、高水頭常規(guī)機(jī)組和大容量抽水蓄能機(jī)組的建設(shè)，充水保壓蝸殼在中國有著更多應(yīng)用的趨勢。然而充水保壓蝸殼結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)——保壓值是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題，它決定著外圍鋼筋混凝土的內(nèi)輪廓。充水保壓蝸殼結(jié)構(gòu)預(yù)壓水頭值的選取，不僅關(guān)系到重要的經(jīng)濟(jì)問題，同時(shí)也關(guān)系到電站能否長期的安全運(yùn)行。如果保壓值定得過高，鋼蝸殼與外圍混凝土之間縫隙值可能偏大，影響機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，可能引起廠房振動。反之，如果保壓值定得過低，那么大部分內(nèi)水壓力將由外圍混凝土承擔(dān)，需要配置大量的鋼筋，即使這樣，混凝土的抗裂和整體穩(wěn)定性仍然得不到保障，同樣對廠房振動不利。因此有必要對充水保壓值進(jìn)行優(yōu)化，從而選取合適的充水保壓值，保證結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行的同時(shí)使材料充分發(fā)揮其強(qiáng)度，達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的目的。

本文針對某抽水蓄能電站充水保壓蝸殼，采用三維非線性有限元法對蝸殼結(jié)構(gòu)5種保壓方案進(jìn)行了非線性計(jì)算，對比分析不同保壓方案在正常運(yùn)行水頭作用下，鋼襯及鋼筋環(huán)向應(yīng)力以及外圍混凝土應(yīng)力變形分布規(guī)律，同時(shí)也考慮了鋼蝸殼與外圍混凝土之間的接觸狀態(tài)以及混凝土的承載比等因素，為保壓值的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 計(jì)算方案

本文以某充水蓄能電站的充水保壓蝸殼結(jié)構(gòu)為研究背景，該電站總裝機(jī)容為2 400 MW。工程樞紐屬Ⅰ等工程。電站蝸殼為鋼蝸殼，厚度為26～50 mm，內(nèi)徑為222.84～1 040 mm，在正常運(yùn)行工況下取蝸殼內(nèi)水壓力627 m水頭，甩負(fù)荷時(shí)蝸殼內(nèi)水壓力為775 m水頭。鋼蝸殼及鋼筋的彈性模量分別為2.10×105MPa和2.00×105MPa，泊松比為0.3，容重78.5 kN/m3，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度310 MPa；混凝土彈性模量為2.90×104MPa，泊松比為0.167，容重25 kN/m3，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度1.3 MPa。

選取了5種保壓方案，在正常運(yùn)行水頭作用下分別對蝸殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算，計(jì)算荷載主要包括內(nèi)水壓力、結(jié)構(gòu)自重等[3]，得到了不同保壓值方案在正常運(yùn)行水頭作用下鋼蝸殼和外圍混凝土的應(yīng)力變形分布規(guī)律。充水保壓蝸殼不同方案保壓值如表1。

表1 充水保壓蝸殼不同方案保壓值表

2 有限元模型

模型模擬了鋼蝸殼及其外包混凝土、座環(huán)、機(jī)墩等結(jié)構(gòu)。三維非線性有限元模型中蝸殼進(jìn)人孔、尾水管進(jìn)人孔等為尺寸較大孔洞；風(fēng)罩、各層板梁柱結(jié)構(gòu)和廠房邊墻等結(jié)構(gòu)簡化為外荷載作用于機(jī)墩和蝸殼結(jié)構(gòu)上[4]。

鋼筋采用二節(jié)點(diǎn)桿單元，外圍混凝土采用8結(jié)點(diǎn)六面體塊體單元，局部采用四面體單元過渡，鋼蝸殼、尾水管鋼襯和座環(huán)采用板殼單元[5]；整體有限元模型55 559個(gè)節(jié)點(diǎn)，63 154個(gè)單元，整體模型見圖1。

采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)取在0.0 m高程面與機(jī)組軸線相交處,其X軸為水平方向，沿廠房縱軸指向左端為正(面向下游)；Y軸為水平方向，指向上游為正；Z軸為鉛垂方向，向上為正。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

蝸殼典型斷面及斷面特征點(diǎn)示意圖分別如圖2～3。

圖1 有限元模型圖

圖2 蝸殼典型斷面示意圖

圖3 蝸殼典型斷面特征點(diǎn)示意圖

3.1 鋼蝸殼應(yīng)力分析

充水保壓蝸殼的應(yīng)力由2部分組成：① 由鋼蝸殼單獨(dú)承擔(dān)充水保壓水頭產(chǎn)生的應(yīng)力；② 鋼蝸殼與外圍鋼筋混凝土聯(lián)合承載剩余水頭產(chǎn)生的應(yīng)力。通過非線性有限元分析[6]，對5種不同保壓方案下，鋼蝸殼在斷面不同特征點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行了比較，如表2所示。

從表2中得出，隨著鋼襯及外包混凝土厚度的變化，各典型斷面的鋼蝸殼應(yīng)力也有差異；保壓值越大，鋼蝸殼的應(yīng)力越高[7]，鋼材利用越充分，這有利于發(fā)揮鋼材強(qiáng)度。5種方案中，鋼蝸殼的最大應(yīng)力分別是91.5、96.9、109.6、119.9和138.5 MPa，均未超過鋼材的屈服極限。

表2 各典型斷面的鋼襯應(yīng)力值表 /MPa

3.2 蝸殼環(huán)向鋼筋應(yīng)力分析

非線性有限元計(jì)算結(jié)果表明，在5種保壓方案中，環(huán)向鋼筋主要處于受拉狀態(tài)且應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，均表現(xiàn)為隨著保壓水頭的增加，同一斷面相應(yīng)特征點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力逐漸減小。另外，同一斷面的3層鋼筋從內(nèi)到外鋼筋應(yīng)力逐漸減小且最大環(huán)向鋼筋應(yīng)力出現(xiàn)的部位也不盡相同，內(nèi)層鋼筋最大應(yīng)力出現(xiàn)在蝸殼頂部，中層鋼筋出現(xiàn)在頂部與腰部之間，而外層鋼筋出現(xiàn)在蝸殼腰部。圖4～6給出了不同保壓方案下斷面Ⅱ各層環(huán)向鋼筋應(yīng)力變化趨勢。

圖4 內(nèi)層環(huán)向鋼筋應(yīng)力變化圖

3.3 外圍混凝土應(yīng)力及開裂分析

結(jié)果表明，在5種不同保壓方案下，應(yīng)力分布規(guī)律基本相同。外圍混凝土主要承受拉應(yīng)力，蝸殼外圍混凝土最大環(huán)向拉應(yīng)力主要集中在蝸殼頂部內(nèi)緣且隨著保壓值的增大而減小。由于混凝土和鋼蝸殼聯(lián)合承載的水頭減小，同一斷面相應(yīng)特征點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力也隨之減小[8]。隨著保壓值的增大，超過混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度范圍也隨之減小，蝸殼外圍混凝土可能開裂的深度隨之減小，而混凝土蝸線方向的應(yīng)力分布規(guī)律與環(huán)向應(yīng)力相同，最大值主要集中在Ⅶ斷面腰部?？梢姡龃蟊褐祵炷潦芰τ欣?，可節(jié)省鋼材用量，減小蝸殼外圍混凝土的開裂，確保蝸殼外圍混凝土整體性以利于蝸殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 第2層環(huán)向鋼筋應(yīng)力變化圖

圖6 第3層環(huán)向鋼筋應(yīng)力變化圖

3.4 鋼蝸殼外圍混凝土承載比分析

由某斷面鋼蝸殼切向應(yīng)力的平均值σ0，按公式可以估算出該斷面外圍混凝土的承載比[9]：

(1)

式中：η為混凝土承擔(dān)的內(nèi)水壓力占設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力的百分比，簡稱混凝土承載比；δ為典型斷面處鋼蝸殼厚度,mm；γ為典型斷面處鋼蝸殼半徑,mm；σ0為鋼蝸殼環(huán)向應(yīng)力平均值,MPa；P為鋼蝸殼設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力,MPa；

研究結(jié)果表明，在正常運(yùn)行水頭作用下，充水保壓蝸殼保壓值越高，鋼襯與外包混凝土聯(lián)合承載的水頭將越低，外圍混凝土承擔(dān)的內(nèi)水壓力百分比就越低，即聯(lián)合承載程度越小，這樣不僅可以充分發(fā)揮鋼材的抗拉強(qiáng)度，而且對混凝土受力更有利。典型斷面的蝸殼外圍混凝土承載比見表3。

表3 典型斷面外圍混凝土承載比表

4 鋼蝸殼與外圍混凝土接觸狀態(tài)分析

對于充水保壓蝸殼而言，如果保壓值選取的過大，當(dāng)運(yùn)行水頭低于保壓值時(shí)，由于鋼蝸殼的自由變形值小于保壓澆筑混凝土的膨脹值，這時(shí)蝸殼基本不受外圍混凝土約束，會使得蝸殼與外圍混凝土之間出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，機(jī)組運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性將會受到影響，進(jìn)而可能導(dǎo)致廠房振動[10]?；诖耍疚难芯苛宋仛ぴ?96 m最低運(yùn)行水頭作用下，由鋼蝸殼與混凝土的接觸狀態(tài)，得出了鋼蝸殼與混凝土之間的間隙值，表4列舉了不同保壓方案下的最大裂隙值。研究結(jié)果表明，在496 m最低運(yùn)行水頭作用下，方案BY-1、BY-2、BY-3、BY-4基本沒有出現(xiàn)脫空的情況，但當(dāng)保壓值為502 m時(shí)，斷面Ⅱ頂部最大的間隙值為0.254 mm，說明方案BY-5鋼蝸殼與外圍混凝土之間出現(xiàn)了脫空現(xiàn)象，這可能會影響機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，對廠房的穩(wěn)定是不利的。

表4 不同斷面處蝸殼和外圍混凝土之間裂隙值表

/mm

5 結(jié) 語

(1) 隨著保壓值的增大，外圍混凝土的環(huán)向應(yīng)力減小，鋼蝸殼的應(yīng)力增大，混凝土的承載比也逐漸降低，這有利于提高混凝土的抗裂性，充分發(fā)揮鋼材的強(qiáng)度，確保結(jié)構(gòu)的整體性[11]。研究結(jié)果表明，保壓值越大對外圍混凝土的受力越有利，但如果保壓值選取得過大，當(dāng)運(yùn)行水頭低于保壓值時(shí)，由于鋼蝸殼的自由變形值小于保壓澆筑混凝土的膨脹值，這時(shí)蝸殼基本不受外圍混凝土約束，會使得蝸殼與外圍混凝土之間出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，這對機(jī)組運(yùn)行是不利的。

(2) 對該抽水蓄能電站而言，當(dāng)保壓值為496 m時(shí)，在充分發(fā)揮鋼材承載能力的前提下，可以保證外包混凝土各處的應(yīng)力均在設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，并且蝸殼結(jié)構(gòu)運(yùn)行時(shí)也能保證鋼襯與外圍混凝土緊密結(jié)合，不出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，保證兩者的完整性。綜合各方面因素，建議保壓值選擇在496 m左右。

(3) 抽水蓄能電站蝸殼保壓值選取的影響因素應(yīng)綜合考慮蝸殼鋼襯的承載能力、外圍混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度、環(huán)向縱向鋼筋的配筋情況及保證機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行等各方面要求。在保持現(xiàn)有鋼蝸殼設(shè)計(jì)厚度不變的情況下，應(yīng)盡量取較高的保壓水頭值，但由于蝸殼的冷縮縫隙的存在，在不考慮施工期和運(yùn)行期水的溫差情況下，鋼蝸殼保壓值選擇不能是越高越好，應(yīng)留有一定的余地。

(4) 在保證機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，允許應(yīng)力相比還有盈余，鋼材強(qiáng)度能得到較好的發(fā)揮，鋼筋的配置適當(dāng)不過量，是保證蝸殼保壓值選取的經(jīng)濟(jì)合理性的關(guān)鍵因素。

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Study on Optimization of Pressure-securing Value of Spiral Case with Pressure Secured by Filling Water

LI Yao, LI Xu

(Huaneng Lancang River Hydropower Co., Ltd., Kunming 650000,China)

Regarding the spiral case with pressure secured by filling water of one pumped storage power plant, 3D nonlinear finite element method is applied to analyze stresses of the steel spiral case and circumferential reinforcement, stress of the exterior concrete, bearing ratio, contact of the spiral case and the exterior concrete, etc. The study presents that the higher the pressure-securing value is , the better the action of the exterior concrete is. But the extremely high pressure-securing value can cause gap between the spiral case and the exterior concrete. This impacts the unit operation adversely. When the pressure-securing value of the spiral case of the plant is about 496 m, actions of steel materials and concrete can be fully played under the precondition of assuring the normal operation of the unit.Key words: pumped storage power plant; water filling to secure pressure; spiral case; pressure-securing value; optimization; nonlinear finite element

1006—2610(2016)06—0055—04

2016-07-13

李瑤(1985- )，女，湖北省潛江市人，工程師，從事水利水電工程建設(shè)管理工作.

TV743;TK730

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.014