水電站蝸殼結構模型試驗和原型觀測的發展現狀

張啟靈，伍鶴皋，李端有

(1.長江科學院a.工程安全與災害防治研究所;b.水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，武漢 430010;2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

1 概述

水電站蝸殼結構空間體型復雜，是一種特殊的鋼襯鋼筋混凝土結構，按鋼蝸殼埋入混凝土方式不同，一般分為3類:墊層蝸殼、充水保壓蝸殼和直埋蝸殼。蝸殼內水壓力由鋼蝸殼和外圍大體積混凝土結構共同承擔，鋼蝸殼和混凝土之間的非線性接觸滑動行為以及兩者聯合承載機理十分復雜。

對于蝸殼這種復雜的組合結構，近年來比較流行的研究方法是以數學力學為基礎，建立數值模型進行各類有限元計算，取得了豐碩的成果［1－4］。除此之外，以實驗力學為基礎，建立蝸殼結構的物理模型進行試驗分析，或對于已建成的工程進行蝸殼結構原型觀測，獲得最原始的資料，也都是蝸殼結構研究的重要手段。數值計算、模型試驗和原型觀測三者相輔相成，各有優缺點，如數值計算方便快捷、節約成本，但計算參數不易確定;模型試驗技術成熟，對問題描述清楚直接，而試驗費用較高，獲取的結果不夠穩定;原型觀測基于實際工程，所得監測數據可信度高，但是其觀測周期長、結構加載或卸載受實際工程運行要求限制，且測點數量和分布有限，因此很難獲得全面有效的監測數據。盡管采用數值計算方法研究蝸殼結構逐漸成為主流手段，但模型試驗和原型觀測作為數值計算結果正確性和合理性的有力驗證手段，其作用不可替代。本文擬總結蝸殼結構模型試驗和原型觀測的發展現狀，以期為今后的蝸殼結構研究發展提供一定參考。

2 蝸殼結構模型試驗的發展現狀

前蘇聯是開展蝸殼結構模型試驗研究較早的國家之一。在其國內布拉茨克、克拉斯諾雅爾斯克、努列克、英古里、契爾蓋依、薩揚舒申斯克等水電站的設計過程中，進行了大量的模型試驗，取得了許多有價值的研究成果［5－9］。20世紀70年代初，印度學者Nigam對超過30個電站的荷載分布規律進行研究總結，試圖找到一種適應范圍廣的一般方法對蝸殼結構進行設計，從而避免模型試驗耗時的缺點［10，11］。到了20世紀 70年代中期，Nigam 又與其他人合作，采用光彈試驗的方法對蝸殼結構進行研究。他們采用三維與二維光彈試驗，將其得到的應力結果與二維理論解對比［12］，研究表明試驗結果與理論計算得到的結果差別很大，分析原因是二維理論解未考慮結構在水平與豎直方向的連續性，但限于當時的試驗條件，該研究僅考慮了機組靜荷載［13，14］。

我國水利水電科學研究院于20世紀60年代就開始對蝸殼等鋼襯鋼筋混凝土結構采用光彈試驗方法開展研究。李伯芹分別制作平面和立體偏光彈性模型，借助特制的橡皮模套及手搖式油壓泵施加內水壓力，得到了蝸殼外圍混凝土的應力分布規律;并且對影響內水壓力荷載傳遞系數及鋼筋混凝土應力狀態的因素進行了詳細分析，得到了內水壓力荷載傳遞系數主要取決于蝸殼鋼板厚度的結論［15，16］。20世紀80年代，在對安康水電站蝸殼結構設計的過程中，為了全面準確了解蝸殼外圍混凝土結構的受力狀態，也采用了三維光彈試驗方法對其進行研究［17］。

隨著水電站單機容量越來越大，為優化蝸殼結構設計的理論，我國有關單位陸續開展了三維仿真材料蝸殼模型試驗。西北勘測設計院科研所自1987年開始，對蝸殼墊層材料及蝸殼與鋼筋混凝土聯合承載問題進行了試驗。試驗以龍羊峽水電站為原型，平面模擬范圍為一個機組段，頂部為水輪機層，底部為尾水管直錐段末端，模型比例1∶10，包括墊層方案和直埋方案2個模型。試驗中間成果應用于龍羊峽電站4#機蝸殼，在鋼蝸殼外包裹了JZ軟木墊層材料，成功降低了混凝土承載比［18，19］。1996年，原武漢水利電力大學秦繼章等以二灘水電站為原型，平面上取一個標準機組段范圍，立面上取自高程994.00 ～1 008.50 m的范圍，模型比例 1 ∶20，包括2個模型:分別配置3層鋼筋和2層鋼筋，充水保壓值分別取1.9 MPa和0.95 MPa。該工作是我國第一次用仿真材料做大型充水保壓蝸殼結構模型試驗。實際工程采用了試驗研究成果，減少了原初步設計中的中層鋼筋，節省鋼材400多噸，加快了施工進度，但該試驗存在模型比尺偏小的缺憾［20］。

隨著三峽水電站的建設，2000年長江三峽工程開發總公司分別委托武漢大學和長江科學院采用1∶12大比例仿真材料模型試驗對三峽水電站充水保壓蝸殼結構進行深入研究。2家單位均取一個標準機組段范圍，頂部為水輪機層，底部取至尾水管直錐段末端，高程略有不同。2家試驗充水保壓值均取0.7 MPa。在試驗前提條件類似的情況下，2家試驗結果吻合較好，均得到結構初裂荷載為設計荷載的1.8倍的結論，且裂縫出現位置基本相同［21－23］。2 家單位的研究工作為充水保壓蝸殼結構形式在三峽水電站中的應用起到了重要參考作用。2005年長江三峽工程開發總公司再次分別委托武漢大學和長江科學院采用1∶12大比例仿真材料模型試驗方法對三峽水電站右岸15#機組直埋式蝸殼結構進行深入研究。2家單位所取模擬范圍基本一樣，底部高程有所不同，頂部均為水輪機層。武漢大學主要考慮蝸殼內水壓力;長江科學院除考慮蝸殼內水壓力外，還模擬了水輪機層以上樓面荷載和混凝土自重。該工作也是目前國內模擬荷載工況較全面的模型試驗。2家單位的研究工作均證明三峽水電站右岸15#機組選擇直埋式蝸殼結構形式是可行的［24，25］。在模型試驗的基礎上，2家單位還分別采用不同有限元計算軟件建立數值模型模擬物理模型，得到的數值計算結果與試驗結果較為一致［26，27］。數值計算和模型試驗的結果相互基本吻合也使得結果更為可信，為三維非線性有限元技術應用于蝸殼結構計算提供了重要依據。

三峽水電站蝸殼結構大比尺仿真材料模型試驗的順利完成也標志著我國蝸殼結構模型試驗技術已經處于世界領先水平。盡管如此，三峽水電站蝸殼結構模型試驗模擬范圍頂部只取至水輪機層，沒有包括機墩結構，無法得到與機組穩定運行密切相關的機墩變形大小，而且也有數值計算成果表明，不考慮機墩結構對蝸殼外圍混凝土的開裂性態及鋼筋應力有不小的影響［28，29］。武漢大學何勇等于2008年完成瀑布溝水電站充水保壓蝸殼1∶10大比例仿真材料模型試驗，模型包括了機墩結構，得到了機墩結構的不均勻變形等成果;同時也采用三維非線性有限元技術對模型進行結構計算，通過與模型試驗成果比較，調整非線性材料本構關系和計算參數，得到了適合于原型結構非線性有限元計算的條件［30，31］;另外該試驗還采用了自編的程序對采集到的數據進行后處理，提高了工作效率［32］。

3 蝸殼結構原型觀測的發展現狀

早在20世紀60年代，我國有關單位就開始了水電站廠房蝸殼的原型觀測工作，積累了大量的觀測資料，對校核、改進設計、指導施工、監視蝸殼安全運行起到了非常有益的作用。劉家峽水電站2#機組蝸殼結構設計根據1#機組實測資料將外圍混凝土配筋量減少10多噸。原型觀測資料在節約鋼材的同時也為改進蝸殼設計提供了依據。三門峽水電站改建設計中，為便于沖沙、清污，確定在機組蝸殼上開孔，增設岔管。其體型復雜，荷載傳遞和內力分配難以確定，為此對第一臺安裝機組蝸殼進行原型觀測工作，得到了蝸殼和岔管的應力分布情況，為改進后幾臺機組的設計提供依據，達到了改進設計監視電站安全運行的目的［33］。

在一些電站中，如劉家峽、碧口、新安江等，對蝸殼實測資料進行了系統的整理分析，提出了極有價值的成果。20世紀70年代末，西北勘測設計院黃家然等對碧口水電站(單機容量100 MW)墊層蝸殼結構進行了實測應力狀態分析，在當時的技術條件下得到了彈性墊層能夠使得鋼蝸殼與外圍混凝土完全獨立工作的主要結論［34］。劉家峽、新安江等電站的實測成果表明:①由機組自重荷載所產生的鋼筋應力并不顯著;②在歷次充水時，鋼蝸殼應力變化幅度均有漸增的趨勢性變化;③鋼蝸殼外圍雖設有彈性墊層，實測外圍混凝土中的鋼筋應力都有明顯變化，表明鋼蝸殼與外圍鋼筋混凝土是聯合承擔內水壓力的，鋼筋應力隨充水時間的延長而減少，分析原因是由于混凝土徐變及其裂縫的影響，使混凝土與鋼蝸殼間的間隙逐漸加大，導致鋼蝸殼和鋼筋應力重分配;④當內水壓力增大至一定極值，鋼蝸殼與外圍鋼筋混凝土進入完全聯合承載狀態。劉家峽、新安江、碧口等電站的實測鋼筋應力過程線表明:溫度變化以及內水壓力變化是影響外圍混凝土中鋼筋應力的主要因素，溫度應力占很大比重;溫度對鋼蝸殼應力的影響也是不可忽略的，會導致鋼蝸殼充水前就存在較大的初始應力，結論是一般設計中不計溫度應力是極不恰當的［33，35］。

哈爾濱大電機研究所結合新結構研制，曾對4個水電站蝸殼結構實測，得到了較多的實測應力數據。白龍江電站實測結果表明:蝸殼外圍混凝土澆筑前鋼蝸殼蝶形邊附近的應力遠大于其它區域應力，其隨固定導葉位置變化，固定導葉頭部應力最高，2個固定導葉中間位置應力最小，波動很大;在蝶形邊處加輻向筋后，該處應力大幅下降，座環應力變化不大。在對同機型、同參數的鳳灘電站機組運行情況下的原型觀測中，將結果與白龍江電站實測結果對比發現混凝土基礎對蝸殼座環應力有很大影響［36］。北京勘測設計研究院等單位先后對安康水電站4#機組和1#機組蝸殼結構進行了現場原型靜、動態觀測，觀測結果表明:鋼蝸殼外圍雖設有彈性墊層，鋼蝸殼與外圍鋼筋混凝土呈聯合受力狀態，但鋼筋受力不大，有較大的安全儲備;機組甩負荷歷時與水擊壓力成反比關系，水擊壓力持續時間短、消失快、引起振動小，將其按靜水頭的30%設計是可行的;施工期溫度應力和混凝土干縮應力較大，設計中應該考慮［17］。

進入本世紀，隨著充水保壓蝸殼在我國大型水電站中的應用，對充水保壓蝸殼結構進行原型觀測的工作逐漸變多。李文慧曾選擇二灘水電站2#機組充水保壓蝸殼結構進行原型觀測，發現:蝸殼內水壓力未達到充水保壓值之前(約為充水保壓值的85%)鋼蝸殼與外圍鋼筋混凝土就提前開始部分接觸，盡管外圍鋼筋混凝土分擔的內水壓力荷載較設計值略有增大，但鋼筋應力不大，混凝土拉應力一般小于混凝土抗拉強度;上部垂直荷載對蝸殼局部鋼筋混凝土應力產生有利影響，機組蝸殼安全儲備較大;通過將原型觀測成果與有限元計算和模型試驗成果對比，差異較大［37］。

長江三峽工程開發總公司等單位對三峽水電站左岸3#，4#，10#和14#機組充水保壓蝸殼結構進行了大量的原型觀測工作。於三大等對3#機組充水試運行期蝸殼結構進行監測，發現:尾水充水過程對結構影響較小，上游引水鋼管充水使得鋼蝸殼與混凝土之間的縫隙變小，閉合量大小基本與充水前開度大小成正比;由于水頭不高，機組發電運行后，結構應力變化不大;與蝸殼內水壓力相比，上部活荷載的作用對結構影響較小(不超過20%)［38］。河海大學張志誠等對4#機組蝸殼水壓試驗全過程進行監測分析，認為:蝸殼在加壓、保壓和卸壓過程中環向應力變化明顯，軸向應力變化較小;從應力分布看，蝸殼頂部環向應力較小，腰部環向應力較大［39］。張憲明等監測了10#機組蝸殼在施工期加壓、保壓保溫和卸壓后的工作性態，總結了混凝土與蝸殼受力變化的一般規律，監測發現:混凝土測點最高溫度一般低于設計允許溫度，因此建議考慮溫度對鋼蝸殼與混凝土之間縫隙開度的影響，適當提高保壓水頭［40］。丁長青通過分析監測資料認為:左岸廠房機組蝸殼在充水保壓后的設計低水頭(135～138 m)下運行時工作狀態正常，外包混凝土尚未處于受力狀態［41］。基于原型觀測成果，於三大等將其分別與材料力學計算值和有限元計算值對比，發現實測值小于計算值，但實測資料變化趨勢是合理的［42］。通過以上原型觀測，分析認為三峽水電站左岸機組蝸殼工作性態正常，應力和變形均在設計允許范圍內［43］。

隨著三峽水電站右岸機組陸續投入運行發電及水庫水位的升高，河海大學孫亮、張猛等在三峽水庫蓄水位升至156 m的過程中，對右岸19#機組進行原型觀測，通過建立多元回歸模型預測三峽水庫正常蓄水位175 m時水輪機組蝸殼開合度的變化情況和蝸殼鋼板應力變化情況，深入分析蝸殼鋼板應力變化規律及蝸殼開合度與鋼板應力間的關系［44，45］。在當時尚未有水庫正常蓄水位175 m時的監測資料校驗回歸模型的情況下，該工作給設計、管理部門提供了寶貴的預警資料。長委設計院彭紹才等對三峽右岸電站3種埋設方式機組蝸殼在156 m和172.7 m水位條件下運行時的實測應力進行了分析，發現:采用保壓方式和墊層方式埋設的機組蝸殼的應力變化、分布和應力水平沒有明顯的區別，采用直埋方式的15#機組的蝸殼應力相對較小;3種埋設方式機組蝸殼的應力均在安全范圍以內，機組蝸殼運行安全［46］。

4 存在的問題

迄今為止，采用模型試驗方法研究蝸殼結構的靜力問題技術上已比較成熟，對充分了解其受力機理，預測其實際工作特性有很大幫助;更為重要的是，模型試驗還可以為建立和驗證數學模型提供重要的依據，是數值計算方法的有力補充。20世紀90年代后，隨著充水保壓蝸殼和直埋式蝸殼在二灘、三峽、瀑布溝等水電站中的應用，國內有關充水保壓蝸殼和直埋式蝸殼的模型試驗研究開展較多，然而作為近年采用越來越廣泛的墊層蝸殼有關的結構模型試驗未見報道。另外，蝸殼結構作為一種典型的鋼襯鋼筋混凝土結構，在不同埋設方式下動力特性十分復雜，鋼蝸殼和外圍混凝土之間存在高度接觸非線性問題，目前很難采用數值計算方法合理模擬，將結構動力試驗技術用于研究蝸殼結構的動力特性是未來蝸殼結構模型試驗的重要發展方向，迄今尚未見到此類研究報道。

我國的水電站廠房蝸殼結構原型觀測工作對實際工程的設計和施工起到了很好的輔助作用，但出于技術資料保密等原因的需要，我國已有的大量蝸殼結構原型監測資料多數未見公開，將監測資料與計算結果相互對比佐證的研究相對較少，未能充分發揮監測資料的作用。已有的蝸殼結構原型觀測工作多數關注結構應力狀態，鑒于蝸殼結構的變形直接影響機組運行的穩定性，其運行期的變形監測同樣值得重視。另外，對于蝸殼結構在機組運行過程中的動力響應監測是十分重要的，目前這方面的資料較少。對于運行時間較長的水電站，蝸殼結構的耐久性是值得關注的，采用原型觀測技術及時評估結構的安全性，預測結構的使用壽命是必要的，在日本已見到此類報道，值得我國借鑒［47］。

5 結語

總體看，與數值計算方法相比，模型試驗耗時較長，試驗成本高，可重復性不好，近年來發展較慢。隨著新材料、新技術的發展，特別是高分子材料、納米材料的廣泛應用，光測技術的迅猛發展，水工結構模型試驗的模擬精度也在不斷地提高，將其應用于復雜的蝸殼結構研究將為工程的設計和管理乃至數值計算分析提供可靠的依據。隨著2010年10月三峽工程試驗性蓄水至175 m的成功，利用已有監測資料建立多元回歸模型，預測蝸殼工作性態并及時校驗回歸模型將成為未來原型觀測工作的重點。鑒于模型試驗和原型觀測無可替代的作用，可以預見，模型試驗和原型觀測方法將貫穿于蝸殼結構研究的發展歷程。

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