馬龍彪 ，馬信武 ，李 寧 ，劉天鵬

（1.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林 敦化 133700；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130061；3.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130061）

1 工程概況

敦化抽水蓄能電站位于吉林省敦化市北部，主要由上水庫(kù)、下水庫(kù)、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和地面GIS開(kāi)關(guān)站等組成。本工程屬大（1）型一等工程。

地下廠房由主機(jī)間、安裝場(chǎng)和副廠房組成，呈“一”字形布置。主機(jī)間長(zhǎng)101 m，安裝場(chǎng)布置在主廠房左側(cè)，長(zhǎng)37 m，副廠房布置在主廠房右側(cè)，長(zhǎng)20 m。主機(jī)間內(nèi)安裝4臺(tái)350 MW豎軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量為1400 MW，分五層布置，分別為發(fā)電機(jī)層、母線層、水輪機(jī)層、蝸殼層和尾水管層，機(jī)組安裝高程為596.00 m，主廠房頂拱開(kāi)挖高程為638.50 m，底板開(kāi)挖高程為583.50 m。

電站機(jī)組采用東方電機(jī)有限公司和哈爾濱電機(jī)廠有限公司的懸式發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速分別為740 r/min；水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪拆卸方式為上拆，固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)為20個(gè)，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9個(gè)。

2 計(jì)算模型

計(jì)算模型的范圍為:從廠左0+036.500～廠左0+060.500，廠上0+014.650～廠下0+010.350m（尾水管:0+016.000m），從尾水管層高程583.500 m至發(fā)電機(jī)層高程612.000 m。包括檢修排水廊道、尾水管外圍混凝土、蝸殼外圍混凝土、機(jī)墩、風(fēng)罩及各層板梁柱等，局部結(jié)構(gòu)根據(jù)需要加以簡(jiǎn)化。地下洞室圍巖對(duì)廠房結(jié)構(gòu)上下游墻的約束作用按彈性支撐考慮，用彈簧單元來(lái)模擬；機(jī)組段兩側(cè)，考慮結(jié)構(gòu)分縫，各層樓板由梁柱支撐，按自由邊界處理；模型底部邊界采用完全固結(jié)。3#機(jī)組段有限元模型網(wǎng)格剖分見(jiàn)圖1。

圖1 敦化抽水蓄能電站地下廠房3#機(jī)組段有限元模型

3 脈動(dòng)水壓力作用下的水電站地下廠房振動(dòng)反應(yīng)分析

當(dāng)前關(guān)于水電站廠房結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)水壓力作用下振動(dòng)響應(yīng)的研究方法主要分為諧響應(yīng)分析[1～2]和時(shí)程分析[3]，劉建[4]等采用這兩種方法計(jì)算了同一抽水蓄能電站廠房結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)壓力作用下的振動(dòng)響應(yīng)，通過(guò)對(duì)比分析得出了兩者均可用作動(dòng)力分析的結(jié)論。本文基于廠房結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和壓力脈動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)，假設(shè)振動(dòng)是主頻率下的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，采用諧響應(yīng)分析法進(jìn)行分析。根據(jù)機(jī)組生產(chǎn)廠家給出的模型試驗(yàn)中蝸殼和尾水管處脈動(dòng)壓力的幅值和主頻，選出發(fā)電工況和抽水工況下蝸殼和尾水管的壓力脈動(dòng)幅值和頻率，并假定蝸殼和尾水管內(nèi)脈動(dòng)水壓力是同頻率和同相位的簡(jiǎn)諧荷載，計(jì)算得出兩種工況下的廠房關(guān)鍵部位響應(yīng)幅值。發(fā)電和抽水兩種工況下脈動(dòng)水壓力的幅值和主頻見(jiàn)表1。

表1 發(fā)電和抽水工況下脈動(dòng)水壓力幅值和主頻

3.1 水電站廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)

馬震岳等[5]提出水電站廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值，見(jiàn)表2。

表2 水電站主廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值

3.2 地下廠房脈動(dòng)壓力作用響應(yīng)分析

水電站廠房下部結(jié)構(gòu)以大體積混凝土為主，因此在脈動(dòng)水壓力作用下的動(dòng)力響應(yīng)較小，所以本文僅研究定子基礎(chǔ)、下機(jī)架基礎(chǔ)、發(fā)電機(jī)層樓板、母線層樓板和水輪機(jī)層樓板等關(guān)鍵部位的振動(dòng)反應(yīng)和動(dòng)應(yīng)力。

3.2.1 振動(dòng)反應(yīng)計(jì)算結(jié)果與分析

發(fā)電和抽水兩種工況下，定子基礎(chǔ)、下機(jī)架基礎(chǔ)、機(jī)礅、發(fā)電機(jī)層樓板、母線層樓板和水輪機(jī)層樓板在各方向最大位移、最大速度和最大加速度值分別見(jiàn)表3、表4。

表3 發(fā)電工況廠房關(guān)鍵部位各方向最大振動(dòng)響應(yīng)

表4 抽水工況廠房關(guān)鍵部位各方向最大振動(dòng)響應(yīng)

從發(fā)電工況廠房關(guān)鍵部位各方向最大振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果可看出:

（1）定子基礎(chǔ)、下機(jī)架基礎(chǔ)和機(jī)墩三個(gè)部位的最大動(dòng)位移出現(xiàn)在定子基礎(chǔ)徑向，約為0.022 mm；最大水平向振動(dòng)速度為2.299mm/s，發(fā)生在定子基礎(chǔ)徑向，最大豎向振動(dòng)速度為1.720mm/s，發(fā)生在機(jī)墩部位；最大水平向振動(dòng)加速度為0.238 m/s2，發(fā)生在定子基礎(chǔ)徑向，最大豎向振動(dòng)加速度為0.179 m/s2，發(fā)生在機(jī)墩部位。

（2）發(fā)電機(jī)層樓板、母線層樓板和水輪機(jī)層樓板三者的最大動(dòng)位移約為0.033 mm，為發(fā)電機(jī)層樓板的縱向位移；最大水平向振動(dòng)速度為3.459 mm/s，發(fā)生在發(fā)電機(jī)層樓板縱向，最大豎向振動(dòng)速度為2.114 mm/s，發(fā)生在發(fā)電機(jī)層樓板處；最大水平向振動(dòng)加速度為0.358 m/s2，發(fā)生在發(fā)電機(jī)層樓板縱向，最大豎向振動(dòng)加速度為0.219 m/s2，發(fā)生在發(fā)電機(jī)層樓板處。

從抽水工況廠房關(guān)鍵部位各方向最大振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果可看出:

（1）定子基礎(chǔ)、下機(jī)架基礎(chǔ)和機(jī)墩三個(gè)部位的最大動(dòng)位移出現(xiàn)在定子基礎(chǔ)徑向，約為0.013 mm；最大水平向振動(dòng)速度為1.807mm/s，發(fā)生在定子基礎(chǔ)徑向，最大豎向振動(dòng)速度為1.409mm/s，發(fā)生在機(jī)墩部位；最大水平向振動(dòng)加速度為0.257 m/s2，發(fā)生在定子基礎(chǔ)徑向，最大豎向振動(dòng)加速度為0.200 m/s2，發(fā)生在機(jī)墩部位。

（2）發(fā)電機(jī)層樓板、母線層樓板和水輪機(jī)層樓板三者的最大動(dòng)位移約為0.027 mm，為發(fā)電機(jī)層樓板的縱向位移；最大水平向振動(dòng)速度為2.547 mm/s，發(fā)生在發(fā)電機(jī)層樓板橫向，最大豎向振動(dòng)速度為3.814 mm/s，發(fā)生在發(fā)電機(jī)層樓板處；最大水平向振動(dòng)加速度為0.362 m/s2，發(fā)生在發(fā)電機(jī)層樓板橫向，最大豎向振動(dòng)加速度為0.543 m/s2，發(fā)生在發(fā)電機(jī)層樓板處。

綜上，發(fā)電工況和抽水工況下，廠房各部位的最大動(dòng)響應(yīng)均能滿(mǎn)足表2給出的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值的要求。

3.2.2 動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分析

發(fā)電和抽水兩種工況下，各典型部位各方向最大動(dòng)拉應(yīng)力值見(jiàn)表5。

表5 兩種工況下各典型部位各方向最大動(dòng)拉應(yīng)力 單位:MPa

由表5知，各工況下各部位橫向和徑向的動(dòng)應(yīng)力均較小，在發(fā)電工況下水輪機(jī)層樓板中間部位的豎向動(dòng)拉應(yīng)力最大，為0.110 MPa，小于混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明在脈動(dòng)水壓力下，廠房結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力水平均不高，因此，對(duì)于脈動(dòng)水壓力作用下的振動(dòng)效應(yīng)，應(yīng)主要從振動(dòng)位移、速度或加速度的角度加以評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)敦化抽水蓄能電站地下廠房的進(jìn)行水力振動(dòng)數(shù)值分析，計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足要求。結(jié)果表明在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，如果流道內(nèi)不出現(xiàn)顯著超過(guò)模型試驗(yàn)情況的強(qiáng)脈動(dòng)，廠房將不會(huì)因?yàn)樗γ}動(dòng)而損壞，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。