水電站廠房蝸殼結構靜動力分析

卓歡

【摘要】水電站廠房在水電站樞紐中是非常重要的組成部分，可以將水能轉換為電能，一般情況下水電站廠房支承結構主要由蝸殼、風罩等結構系統構成，在運行過程中會受到靜力荷載的作用，廠房振動問題嚴重影響了水電站的正常運行。鑒于此，筆者從不同角度展開水電站廠房蝸殼結構靜動力分析。

【關鍵詞】水電站廠房；蝸殼結構；靜動力分析

隨著社會經濟的快速發展，電力資源越來越緊缺，一大批水電工程開始陸續建立起來，水電開發不僅為工業和農業生產提供了能源，同時因為燃煤帶來的污染等相關問題也得到了緩解，還大大促進了旅游、航運以及水產等相關項目的發展，在水利樞紐中水電站廠房是非常重要的組成部分之一，因此其安全性問題逐漸引起了人們的重視。

1蝸殼結構的埋設方式

蝸殼結構在計算過程中往往要與某種蝸殼埋設方式相結合，現階段我國主要采用的結構形式有三種：第一，將軟墊層鋪設在鋼蝸殼外上部的相應范圍內，然后將其外圍澆筑混凝土，形成墊層蝸殼；第二，在充水保壓的狀態下，鋼蝸殼外圍澆筑了一層混凝土之后形成保壓蝸殼；第三，直接將混凝土澆筑在剛蝸殼上，不設置墊層或者充水保壓，混凝土和蝸殼共同承載，這樣就形成了直埋蝸殼。通過對國內外大量工程實踐的總結分析可以看出，以上三種蝸殼結構形式各有優缺點，目前都有廣泛的應用。筆者認為，充分借助有限元等現代數值分析法，可以基本上解決蝸殼結構靜力上存在的強度與變形等相關問題。

2廠房蝸殼動力分析的有關內容

蝸殼結構的動力分析并不是利用靜力分析的那套理論，必要條件下需要選取廠房整體或者一部分巖石來進行分析。目前動力分析的研究主要集中在下面幾方面：首先，彈性模量、范圍選擇等墊層參數對廠房整體及蝸殼局部動力特征的影響；其次，在一系列內源激烈作用的影響下，三種埋設方式的廠房蝸殼動力反應特點分析和研究；第三，直埋蝸殼因為流道內壓力而引起蝸殼外圍混凝土內貫穿性損傷及分裂的存在，對廠房和機組運行穩定性造成的影響等等。通過大量實踐研究發現，蝸殼的埋設方式并不會對廠房及蝸殼整體剛度帶來太大的影響，也不會控制機組運行的穩定性。

3水電站廠房蝸殼結構靜動力分析的主要問題分析

本文以某水電站作為工程背景，針對廠房蝸殼結構展開靜動力分析，通過對目前國內外研究情況的總結來看，我們可以通過以下幾方面展開深入分析。

3.1墊層材料

墊層材料主要應用在壓力管道和蝸殼上，目前國內外已經針對其殘余變形、疲勞、徐變應力性能等方面進行了較多研究，但是在機組振源、地震等動荷載影響下的動力非線性應力應變關系等方面還未開展研究。隨著機組廠房和蝸殼尺寸的逐漸增大，振動的問題越來越突出，廠房蝸殼的結構動力剛度是否會因為墊層的存在而被削弱，為廠房振動帶來某些影響，還需要與墊層材料的實際動態應力應變關系相結合展開深入的研究。現階段在動力分析時模型、計算假定等處理比較簡單，例如建立模型時基本上會假定墊層作為線彈性材料，通過對靜力線性應力應變關系來得到壓縮模量，墊層實際上屬于較軟的彈塑性材料，在廠房及蝸殼振動過程中必然會顯示出動力非線性特征。

3.2混凝土開裂對廠房蝸殼動力特征的影響

直埋蝸殼的優點在于工期短、程序簡單、可以提供較大的整體靜力剛度，近年來頗受業界人士的關注。大型電站中直埋蝸殼的尺寸比較大，剛度比較弱，加上HD值又高，在混凝土厚度較薄的位置通常會產生一些集中裂縫，雖然現階段蝸殼設計都是按照混凝土結構進行設計的，但是配筋并不能對裂縫的產生進行阻止，只能達到限制裂縫擴展的作用。從靜力變形角度上來看，直埋蝸殼結構經過配筋之后通常可以滿足相關規范的要求，但是水電廠房中發生作用的水力振動荷載以及電氣荷載等，這些均長期持續的存在，在一些高烈度地震區還會起到短時間的強地震作用，在這些荷載的影響下，大量裂縫的存在會對廠房及蝸殼上部結構的抗震及振動性能產生影響。通常情況下已有的裂縫會對材料的力學性能產生改變，從本質上來說，已含有裂縫等損傷的混凝土結構其動力響應問題會顯示出非線性特征。在地震荷載及脈動水壓力的影響下，結合某機組段需要對其開裂地面蝸殼結構的動力反應及特征進行深入分析。雖然目前已經研究完成了軸對稱蝸殼結構模型的構建，同時水動力作用下直埋蝸殼結構的動力響應研究也取得了一些成果，但是這遠遠不夠，還需要進行更深一步的研究，利用斷裂及損傷力學理論針對廠房及蝸殼展開動力分析。

3.3流-固耦合效應

蝸殼流道中含有大量的水體，可能會對結構動力特征產生重大影響，其影響還需要進行深入的研究，這與流-固耦合問題直接相關、相互作用。目前多數情況下會基于機組部件的振動特征對流固耦合的影響加以考慮，在廠房及蝸殼結構振動特征方面僅做了一些簡化性的研究，通常將水體影響簡化成為附加在流道中的動水質量，雖然這樣的分析對于一般的蝸殼結構還可以體現出一定的合理性，但是在巨型蝸殼的動力特征研究中卻存在非常大的誤差，這時將流-固耦合動力學理論引入到巨型蝸殼動力特征分析中，可以收到意想不到的成果。

3.4地下廠房的動力分析模型

出于抽水蓄能電站建設的需要，加上我國西部地區地質與地形上的限制，多將發電廠布置為地下式，雖然從安全級別上來說地下廠房不像大壩那樣重要，但是在整個水電站中它是重要的樞紐，一旦廠房內部振源振動較強，可能會造成廠房及周邊圍巖的破壞，所以目前地下廠房動力特性分析受到越來越多人的重視。在現階段的地下廠房動力分析中，通常采用模擬圍巖對廠房的動力作用展開靜力分析，這種做法僅能為其提供靜態的彈性支撐，很明顯，從動力分析上來看，這種做法在理論上是不妥的，同時這種方法并沒有對圍堰介質的結合輻射阻尼吸收振動散射波的作用進行考慮，在截斷邊界產生虛假反射，圍巖范圍的計算結果將會出現嚴重的失真現象。大量研究表明，要想不對結構動力反應產生影響，圍巖范圍需要滿足下面的條件：

≥

式中， 、 、 分別代表三個指標： 為從邊界到結構邊緣或中心之間的最短距離； 為巖石介質最大波速； 為總計算時長。

結語：

綜上所述，電力工業是我國國民經濟的重要基礎，對社會經濟的發展直觀重要。在目前能源危機越來越嚴重的情況下，水電站建設快速發展，很多大容量、高水頭的水電站不斷興建。基于上述從不同角度針對廠房蝸殼結構靜動力的分析，可見廠房蝸殼的結構動力剛度是因為墊層的存在而被削弱，在廠房及蝸殼振動過程中必然會顯示出動力非線性特征；已有的裂縫會對材料的力學性能產生改變，從本質上來說，已含有裂縫等損傷的混凝土結構其動力響應問題會顯示出非線性特征；蝸殼流道中含有大量的水體，可能會對結構動力特征產生重大影響，與流-固耦合問題具有直接的關系。采用模擬圍巖對廠房的動力作用展開靜力分析，這種做法僅能為其提供靜態的彈性支撐，并沒有對圍巖介質的結合輻射阻尼吸收振動散射波的作用進行考慮。因此，應當加深研究水電站廠房蝸殼結構靜動力的分析，從而降低水電站建設的風險，促進我國電力產業的可持續發展。

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