贊比亞伊泰茲水電站廠房上游墻止推環結構應力分析

王紅強

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安　710065)

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贊比亞伊泰茲水電站廠房上游墻止推環結構應力分析

王紅強

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安710065)

摘要：應用三維有限元計算伊泰茲水電站廠房上游墻止推環結構及其附近混凝土應力，并依據止推環及其鄰近壓力鋼管在蝸殼不平衡水推力作用下的結構應力進行安全性評價。環后混凝土結構應力分布對結構配筋計算具有一定的參考價值。

關鍵詞：止推環；不平衡水推力；結構應力;伊泰茲水電站

1工程概況

伊泰茲水電站位于贊比亞南方省丘莫市伊泰茲區，大壩位于贊比西河和凱福河交匯點上游295 km處。伊泰茲大壩于1978年建成，是下游凱福峽水電站的調節水庫，主要用于蓄水灌溉和凱福河流量管理，調節上凱福峽水電站的水力發電流量。新建水電站利用南導流洞改建為引水洞，并開挖、修建新的引水洞和調壓井，以及地面廠房和尾水渠[1-2]。主廠房內布置2臺單機容量為60 MW的軸流式水輪機組，額定水頭40 m，總裝機容量120 MW。機組單機引用流量155.4 m3/s。廠房結構橫縫采用一機一縫。主廠房寬29.0 m，1號機組段長25.0 m，2號機組段長25.5 m，高度53.0 m。主廠房上游每臺機組布置一臺直徑為6.3 m的進水蝶閥。機組采用金屬蝸殼，進口直徑6.3 m。

經調查，很多水電站工程設計中都采用在蝸殼進口斷面上游處設置止推環的方式來減小不平衡水推力所造成的不利影響[2-6]。特別針對伸縮節過縫形式，在伸縮節下游設置止推環來承擔部分蝸殼不平衡水推力已經成為業界的共識[1，7-8]。但伊泰茲水電站項目因廠房尺寸及機電承包商有關流道系統的布置要求等因素的限制，止推環的位置一反常態沒有設在大體積混凝土內部，而設在最小厚度僅為1.2 m的上游墻內部。止推環的這種布置形式對壓力鋼管以及環后混凝土的應力狀態產生較為復雜的影響。

2研究的主要內容

2.1壓力鋼管及止推環應力分析

考慮在不平衡水推力及內水壓力作用下，與止推環相接部分的壓力鋼管及止推環本身的應力狀態，計算分析壓力鋼管的局部膜應力與彎曲應力疊加區的應力值及總體膜應力，并與各自對應的允許應力強度相比較。同時計算分析止推環的二次應力并與允許應力強度相比較。根據上述比較結果對止推環及其鄰近部位壓力鋼管的結構應力是否滿足美國規范的要求進行評價。

2.2環后混凝土結構應力分析

因該項目的止推環位于廠房上游墻內，在巨大不平衡水推力的作用下，為了保證上游墻的安全，采用局部三維模型對止推環后混凝土結構進行三維有限元計算，重點就環后混凝土的拉應力區域及大小進行分析，為環后混凝土的配筋提供依據。

3不平衡水推力對壓力鋼管及止推環的應力分析

3.1計算模型

采用三維有限元軟件ANSYS建立廠房上游墻及墻內止推環模型，對止推環結構用實體單元模擬[9]。計算采用笛卡爾坐標系，Z軸為水流方向，X軸為水平方向，Y軸為垂直方向。因本計算研究重點為止推環及其鄰近混凝土應力，故將上游墻四周均采用固端約束來模擬。計算模型詳見圖1。在計算模型中未考慮止推環環周36塊加勁板對止推環整體剛度提升的影響，將其作為安全儲備。

圖1　整體模型圖

3.2應力結果

壓力鋼管和止推環的幾種類型應力極值結果見表1，按規范[10]評判準則，可以確定在內水壓力作用下，壓力鋼管結構和止推環結構應力的應力滿足要求。

表1　壓力鋼管及止推環應力結果表　/MPa

4環后鋼筋混凝土的配筋分析

止推環位于廠房上游墻內，根據廠家提供的資料，正常運行時所受的水推力為16 526.8 kN，機組甩負荷時所受的水推力為23 738.5 kN，在如此大的荷載作用下，初步推斷止推環下游側的混凝土結構應力狀態可能會有問題。為了了解止推環附近混凝土結構的應力，采用三維模型對止推環后混凝土結構進行三維有限元計算。環后混凝土在甩負荷工況下的應力分布見表2。

表2　環后混凝土應力結果表　/MPa

從應力計算結果可以看出，在機組甩負荷工況下，止推環后混凝土應力分布有兩大特點：一是最大拉應力出現在與止推環外緣相交處的混凝土附近；二是最大壓應力(σx與σy)出現在止推環下部墻下游側的中上部。且上述兩部分均有較明顯的應力集中現象。從最為關注的環后混凝土Z向應力分布情況來看，止推環下游面混凝土壓應力范圍為2.1～13.1 MPa，止推環外圍混凝土拉應力最高已經達到19.8 MPa，其他3個方向的最大拉應力也已達到8 MPa左右。后續設計應針對止推環下游側混凝土做專門的配筋計算。從上述2個較為極端的混凝土應力分布范圍來看，與中國規范[10]規定的C25混凝土抗壓強度與抗拉強度設計值分別為11.9 MPa和1.27 MPa相比，混凝土抗壓強度略有超標，抗拉強度超標較多。

考慮到計算中未計及環周加勁板對止推環剛度的巨大加強作用，同時忽略了鋼管與混凝土接觸面的摩擦等利好限制作用，從而導致環后混凝土應力集中較為明顯，后續設計應針對止推環下游側混凝土作專門的配筋計算，本次計算成果僅供參考。

5結語

(1) 在巨大的蝸殼不平衡水推力作用下，止推環最大Von Mises應力、止推環下游壓力鋼管整體膜應力以及局部膜應力加彎曲應力值均分別小于各自對應的允許值。

(2) 從止推環環后混凝土應力分布整體來看：最大拉應力出現在與止推環外緣相交處的混凝土附近，最大壓應力出現在止推環與壓力鋼管相交處下游側的混凝土附近，混凝土抗壓強度略有超標，抗拉強度超標較多，在后續設計中應結合上游墻整體應力分析作專門的配筋計算。

參考文獻:

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Analysis on Structural Stress of Thrust Collar at Powerhouse Upstream Wall,Itezhi Hydropower Project

WANG Hongqiang

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065, China)

Abstract:By application of 3D finite element method, stresses of the thrust collar at powerhouse upstream wall and its surrounding concrete are calculated. Furthermore, their safety is assessed in accordance with structural stresses of the thrust collar and its neighboring penstock under the action of the unbalanced hydraulic thrust of the spiral case. The structural stress distribution of the concrete behind the thrust collar is referred to the reinforcement arrangement of the structure.

Key words:thrust collar; unbalanced hydraulic thrust; structural stress

中圖分類號：TV312

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.009

作者簡介：王紅強(1983- )，男，陜西省寶雞市人，工程師，從事水利水電工程水工專業設計工作.

收稿日期：2015-06-09

文章編號：1006—2610(2016)01—0037—02