祝新星

（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

尼泊爾某水電工程為引水式電站工程，位于尼泊爾那蘇瓦地區(qū)。設(shè)計發(fā)電流量為80 m3/s，裝機容量為110 MW。地下發(fā)電廠房洞室埋深約為320 m，廠內(nèi)布置3臺混流式水輪機機型機組，機組間距13 m。

在廠房結(jié)構(gòu)分析中，過去分別將下部大體積混凝土結(jié)構(gòu)包括底板、尾水管、尾水管擴散段、蝸殼、發(fā)電機機墩、風罩等結(jié)構(gòu)作為單獨構(gòu)件，并簡化成平面框架結(jié)構(gòu)進行計算，忽略了不同的材料屬性，結(jié)構(gòu)間的相互作用和復雜邊界條件等因素的影響。隨著有限元計算的發(fā)展，有限元計算越來越多地用于廠房結(jié)構(gòu)分析中。文中以尼泊爾某水電站工程的地下廠房下部結(jié)構(gòu)為分析對象，結(jié)合有限元結(jié)構(gòu)分析理論，應用有限元計算軟件ANSYS，建立機組段三維有限模型，對其下部大體積混凝土結(jié)構(gòu)進行分析。

1 計算模型

廠房機組間距13 m，跨度15 m，主機間縱向總長度45 m。

選取廠房主機間段進行建模計算。主機間底板四周基本均與巖石接觸，除靠近安裝間部位側(cè)墻表面不施加約束外，底板其它側(cè)面均施加法向約束。底板上部蝸殼機墩風罩通過板梁與上下游柱連接，柱與巖石接觸施加法向約束。

2 計算參數(shù)及工況

2.1 基本計算參數(shù)

混凝土和巖體力學參數(shù)見下表1，混凝土的線性膨脹系數(shù)取為5.5×10-6℃-1，運行基準地震（OBE）水平加速度系數(shù)Kho=0.11g。金屬蝸殼采用保壓埋入法，金屬蝸殼與外圍混凝土之間不設(shè)墊層，蝸殼直接承受部分內(nèi)水壓力。根據(jù)水壓實驗，蝸殼外部混凝土承受20%的最小凈水壓力，超出最小靜水壓力部位的水壓完全由蝸殼外圍混凝土承擔。考慮發(fā)電機運行期間風罩內(nèi)外溫度差，最大為40℃。外水壓力取地下水位考慮。

表1 材料力學參數(shù)表

2.2 工況組合

廠房下部大體積結(jié)構(gòu)計算，計入的主要荷載有結(jié)構(gòu)及設(shè)備自重、設(shè)備傳來荷載、活荷載、內(nèi)外水壓力、溫度荷載、風荷載、地震荷載等[1,2]。該工程根據(jù)美國規(guī)范進行設(shè)計，其荷載系數(shù)、水力系數(shù)等參照相關(guān)規(guī)定[3,4]取值。

其中：Uh為水工結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載；D為恒載；L為活載；E為地震荷載；Hf為水力系數(shù)，水工結(jié)構(gòu)物中取值1.30。

3 計算分析

結(jié)構(gòu)計算采用SOLID185單元，通過切取截面的方式表示各部位各剖面應力分布情況。文中選取風罩、機墩、蝸殼及底板處最大應力工況進行分析，各部位應力分布如圖1～圖3所示。

圖1 底板截面應力圖σx（地震工況）

圖2 蝸殼機墩風罩應力圖σx（甩負荷工況）

圖3 蝸殼機墩風罩應力圖σx（正常運行工況）

1）由圖1可知，底板以受壓為主，僅在尾水管局部產(chǎn)生拉應力。地震工況下底板最大拉應力為0.6 MPa，主要位于錐管段。

2）由圖2可知，由于金屬蝸殼采用保壓埋入法，外圍混凝土承受部分內(nèi)水壓力。水輪機甩負荷時，外圍混凝土承受的內(nèi)水壓力最大為3.7 MPa,此工況作為蝸殼外圍混凝土控制工況。

混凝土外圍混凝土拉應力在0.2D范圍內(nèi)較大，超過0.2D范圍迅速減小。在結(jié)構(gòu)突變處,如管邊緣處以及蝸殼進口與末端交匯的鼻端發(fā)生明顯的應力集中。管邊緣處混凝土厚度較小，承受的拉應力較大，可在外圍混凝土表面布置鋼襯對其進行保護[5-7]。

3）在各種工況作用下，機墩部位各方向的拉應力均較小，各方向應力沿環(huán)向分布比較均勻,檢修坑角點位置出現(xiàn)應力集中。

4）由圖3可知，發(fā)電機風罩部位受溫度荷載影響比較明顯，正常運行工況和機組飛逸等考慮風罩內(nèi)外溫差的情況下風罩各方向應力相對較大。在風罩進人孔及風罩頂部均出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。

4 結(jié)論

文中以某水電站廠房工程為計算實例，采用通用有限元計算軟件ANSYS，對廠房主機間部位大體積混凝土結(jié)構(gòu)進行三維有限元靜力分析計算。從計算結(jié)果的定性和定量分析來看，計算結(jié)果較為符合，通過上述分析可以得出以下幾點：

1）機墩、底板部位混凝土結(jié)構(gòu)受力相對較小，混凝土本身的抗拉強度基本就可滿足抗拉要求，僅需根據(jù)溫度和收縮構(gòu)造要求配筋。

2）保壓埋入法降低了蝸殼本身承擔的內(nèi)水壓力，從而可以減小蝸殼鋼板的厚度。但由于蝸殼外圍混凝土與蝸殼聯(lián)合受力，甩負荷工況下蝸殼外圍混凝土承受較大內(nèi)水壓力。結(jié)構(gòu)的拉應力主要集中在靠近蝸殼0.2D范圍，需在此區(qū)域配筋予以加強。

3）發(fā)電機風罩在內(nèi)外溫差的作用下，局部區(qū)域存在較大的拉應力，為了控制裂縫的出現(xiàn)或裂縫寬度，應加強風罩的配筋。同時在機組運行時需做好發(fā)電機的通風工作。

4）結(jié)構(gòu)開孔破壞了結(jié)構(gòu)的整體性，開孔處產(chǎn)生應力集中，需對開孔位置加強配筋。

［參 考 文 獻］

［1］NB/T 35011-2013水電站廠房設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］SL 266-2014水電站廠房設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］EM1110-2-2104StrengthDesignforReinforced-Concrete Hydraulic Structures［S］.

［4］ACI 318M-11 Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary［S］.

［5］秦繼章，馬善定.高水頭抽水蓄能電站蝸殼結(jié)構(gòu)配筋遠離研究［J］.水力發(fā)電學報 2006，25（1）：30-33.

［6］李勝軍，李振富.高水頭抽水蓄能電站蝸殼混凝土與鋼襯聯(lián)合作用應力分析方法研究［J］.水利水電技術(shù)1998，29：30-33.

［7］陳穎豪，黃順強.廣蓄電站機組蝸殼與混凝土聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.水力發(fā)電 1993（7）：30-33.