大型水電站配水環(huán)管充水保壓值優(yōu)化分析

樊小發(fā)，張洪星，梁成彥，吉曉紅

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計院研究有限公司，河南鄭州450003；2.黃河水利委員會規(guī)劃計劃局，河南鄭州450003）

1 項目概況

Coca Codo Sinclair（簡稱CCS)水電站為徑流式電站,位于南美洲厄瓜多爾國北部Napo省與Sucumbios省交界處,該水電站廠房為尾部式地下廠房,安裝8臺沖擊式水輪機(jī)組,總裝機(jī)容量1 500 MW。最大靜水頭620.75 m,最小靜水頭604.90 m,配水環(huán)管進(jìn)口斷面直徑2.2 m,配水環(huán)管材料采用Q500D,管壁厚度30～60 mm。配水環(huán)管與外圍混凝土結(jié)構(gòu)處理措施采用沖水保壓方式,即金屬配水環(huán)管之間不設(shè)置彈性墊層,在配水環(huán)管充水保壓狀態(tài)澆筑外圍混凝土。

筆者以CCS電站充水配水環(huán)管為研究對象,采用三維有限元法對配水環(huán)管結(jié)構(gòu)3種保壓方案進(jìn)行了研究,對比分析不同保壓方案鋼襯、環(huán)向鋼筋的應(yīng)力及外圍混凝土應(yīng)力變形分布規(guī)律,為保壓值的優(yōu)化提供依據(jù)。

2 計算模型和工況

2.1 計算方案及荷載組合

充水保壓分別選取最小靜水壓力的75%、80%和85%三種方案,在正常運行工況下分別對配水環(huán)管結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,計算荷載主要包括內(nèi)水壓力、結(jié)構(gòu)自重、水輪發(fā)電機(jī)組運行動荷載、各層樓板荷載等,得出不同保壓值方案在正常運行工況下配水環(huán)管和外圍混凝土的應(yīng)力變形分布規(guī)律。各保壓方案及荷載組合見表1。

2.2 計算模型

為了更好地反映實際情況,計算時取主廠房3＃和4＃兩個機(jī)組段作為分析對象。計算范圍：沿廠房縱軸線方向總長為40.68 m,沿廠房上下游方向?qū)挾葹?6.0 m,從建基面（高程596.50 m)至發(fā)電機(jī)層（高程623.50 m)高度為27.0 m。

表1 計算方案和荷載組合

在計算范圍內(nèi),對配水環(huán)管及外圍混凝土均按實際尺寸模擬。計算模型的底部施加全約束；上下游側(cè)高程613.5 m（水輪機(jī)層)以下采用彈性連桿考慮圍巖的約束作用,以上自由；兩側(cè)巖石開挖高程以下為法向約束,其余自由。

模型單元分為結(jié)構(gòu)混凝土、配水環(huán)管、機(jī)井內(nèi)襯和巖石4組。混凝土和巖石采用8節(jié)點六面體單元,個別區(qū)域采用四面體單元過渡；配水環(huán)管和機(jī)井內(nèi)襯采用4節(jié)點平面板殼單元［1-4］。整體模型和配水環(huán)管網(wǎng)格見圖1、圖2。

圖1 整體模型網(wǎng)格

圖2 配水環(huán)管網(wǎng)格

3 計算結(jié)構(gòu)分析

3.1 配水環(huán)管外圍混凝土應(yīng)力

根據(jù)計算結(jié)果,整理了3種保壓方案、3＃和4＃機(jī)組段配水環(huán)管外圍混凝土7個典型斷面的環(huán)向應(yīng)力和水流向應(yīng)力,斷面編號及位置見圖3,特征點位置見圖4。3＃和4＃機(jī)組應(yīng)力大小及分布規(guī)律基本相似,部分特征點的環(huán)向應(yīng)力見表2（環(huán)向應(yīng)力均為相應(yīng)截面上的正應(yīng)力,拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù))。

圖3 混凝土典型斷面位置

圖4 斷面特征點位置

表2 3#機(jī)組典型斷面特征點環(huán)向應(yīng)力

圖5～圖7直觀地反映了配水環(huán)管外圍混凝土在各保壓方案下超過混凝土抗拉強度（3.14 MPa)的范圍（黑色部分)。

（1)LC-1方案混凝土應(yīng)力。該方案保壓值為4.54 MPa,即最小靜水壓力的75%,配水環(huán)管外圍混凝土在內(nèi)水壓力和上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載共同作用下,各斷面環(huán)向拉應(yīng)力較大,最大達(dá)4.08 MPa,出現(xiàn)在3＃機(jī)組3＃斷面內(nèi)側(cè)腰部內(nèi)緣。從數(shù)值上看,2＃～4＃斷面緊貼配水環(huán)管的混凝土內(nèi)緣環(huán)向應(yīng)力超過混凝土抗拉強度（3.14 MPa)。在內(nèi)水壓力作用下,各斷面靠外側(cè)水流向基本呈受拉狀態(tài),內(nèi)側(cè)基本呈受壓狀態(tài)（1號斷面除外)。

圖5 LC-1方案3#機(jī)組配水環(huán)管外圍混凝土第一主應(yīng)力超過3.14 MPa的范圍

圖6 LC-2方案3#機(jī)組配水環(huán)管外圍混凝土第一主應(yīng)力超過3.14 MPa的范圍

圖7 LC-3方案3#機(jī)組配水環(huán)管外圍混凝土第一主應(yīng)力超過3.14 MPa的范圍

雖然該方案下緊貼配水環(huán)管的混凝土內(nèi)緣環(huán)向應(yīng)力較大,但其沿徑向衰減較快,超過混凝土抗拉強度的范圍并不大,主要集中在緊貼配水環(huán)管附近的區(qū)域,由此可以判斷,混凝土開裂范圍不會太大,不會過多削弱配水環(huán)管外圍混凝土的整體性,對配水環(huán)管的穩(wěn)定運行不會有很大影響。但值得注意的是,配水環(huán)管噴嘴周圍混凝土可能開裂,對耐久性有一定影響,該處的配筋應(yīng)適當(dāng)加強。

（2)LC-2方案混凝土應(yīng)力。該方案保壓值為4.84 MPa,即最小靜水壓力的80%。聯(lián)合承載值約為LC-1方案的90%。總體看,該方案混凝土的應(yīng)力水平低于LC-1方案的。各斷面環(huán)向拉應(yīng)力依然較大,最大為3.62 MPa,出現(xiàn)在3＃機(jī)組3＃斷面內(nèi)側(cè)腰部內(nèi)緣,這與LC-1方案是一樣的。該方案環(huán)向應(yīng)力分布規(guī)律與LC-1方案類似,LC-2方案相同位置的應(yīng)力值約是LC-1方案的90%,這與LC-2方案的聯(lián)合承載值約為LC-1方案的90%是對應(yīng)的。這種對應(yīng)關(guān)系說明,配水環(huán)管外圍混凝土環(huán)向應(yīng)力主要與聯(lián)合承載值大小有關(guān)。2＃～4＃斷面緊貼配水環(huán)管的混凝土內(nèi)緣環(huán)向應(yīng)力超過了3.14 MPa,該方案不能避免緊貼配水環(huán)管的混凝土出現(xiàn)開裂情況。

LC-2方案混凝土第一主應(yīng)力超過3.14 MPa的區(qū)域位置與LC-1方案基本類似,只是范圍有所減小,但配水環(huán)管噴嘴周圍混凝土應(yīng)力水平依然較高。總體上看,盡管該方案聯(lián)合承載值約為LC-1方案的90%,但可以預(yù)見其減小混凝土開裂范圍效果并不明顯。

（3)LC-3方案混凝土應(yīng)力。該方案保壓值為5.14 MPa,即最小靜水壓力的80%。聯(lián)合承載值約為LC-1方案的80%。該方案混凝土的應(yīng)力水平是3個方案中最低的。各斷面環(huán)向拉應(yīng)力最大值依然出現(xiàn)在3＃機(jī)組3＃斷面內(nèi)側(cè)腰部內(nèi)緣,最大值為3.16 MPa,僅該斷面緊貼配水環(huán)管的混凝土內(nèi)緣環(huán)向應(yīng)力大于3.14 MPa,比LC-1、LC-2方案大為減小。

LC-3方案混凝土第一主應(yīng)力超過3.14 MPa的區(qū)域遠(yuǎn)小于LC-1和LC-2方案的,說明選取0.85倍最小水頭壓力作為保壓值對減小混凝土開裂范圍有明顯效果。

3.2 配水環(huán)管外圍混凝土承載比

某個斷面配水環(huán)管環(huán)向應(yīng)力（聯(lián)合承載部分)的平均值為σ0,可以初步計算外圍混凝土的承載比η：

式中：pb為配水環(huán)管保壓值,MPa；p為配水環(huán)管設(shè)計內(nèi)水壓力（含水擊壓力),該工程為7.5 MPa；δ為典型斷面處配水環(huán)管厚度,mm；r為典型斷面處配水環(huán)管半徑,mm。

根據(jù)計算結(jié)果,整理了 3＃機(jī)組 1＃、2＃、4＃、6＃等典型斷面的配水環(huán)管環(huán)向應(yīng)力和外圍混凝土承載比,見表3。

從表3可以看出,對于充水保壓配水環(huán)管方案,外圍混凝土承載比最大未超過30%。3種方案下各截面承載比的變化規(guī)律不變。充水保壓值越高,外圍混凝土承載比越小,越能發(fā)揮配水環(huán)管的承載作用,這對混凝土受力是有利的。

3.3 配水環(huán)管保壓值的確定

從上述分析可以看出,配水環(huán)管保壓值對外圍混凝土的應(yīng)力水平有著明顯的影響。顯然保壓值越高,對混凝土結(jié)構(gòu)受力越有利,配筋量越小,越能充分發(fā)揮配水環(huán)管的承載作用。充水保壓措施實質(zhì)上是使配水環(huán)管和外圍混凝土之間在充水之前有一個初始縫隙。從保證機(jī)組穩(wěn)定運行的角度講,需要保證實際保壓值與因冷縮縫隙而增加的“保壓值”之和小于電站最小水頭壓力,這樣就可以保證在任何運行水頭情況下不出現(xiàn)配水環(huán)管脫空現(xiàn)象。

綜上所述,配水環(huán)管保壓值的確定,既要考慮外圍混凝土應(yīng)力的影響,又要考慮機(jī)組長期穩(wěn)定運行的要求。LC-3方案保壓值對外圍混凝土的受力狀況有較大改善。結(jié)合CCS水電站的具體情況,配水環(huán)管保壓值建議確定為最小水頭壓力的85%,即5.14 MPa。

表3 3#機(jī)組配水環(huán)管環(huán)向應(yīng)力和外圍混凝土承載比

4 結(jié) 語

沖水保壓蝸殼（配水環(huán)管)結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是保壓值的選取［1-4］。經(jīng)分析比較發(fā)現(xiàn),保壓值取最小水頭（604.9 m)的75%、80%和85%三種方案下,外圍混凝土的應(yīng)力水平和配筋量隨保壓值的增大逐漸降低。配水環(huán)管保壓值的確定,既要考慮外圍混凝土應(yīng)力和配筋的影響,又要考慮機(jī)組長期穩(wěn)定運行的要求。綜合考慮,CCS水電站配水環(huán)管保壓值建議確定為最小水頭的85%,即5.14 MPa。

目前,CCS電站已經(jīng)正常運行發(fā)電,表明配水環(huán)管充水保壓設(shè)計方案經(jīng)濟(jì)合理,為類似工程積累了寶貴經(jīng)驗。