新疆蓋孜水電站蝸殼與大體積混凝土聯(lián)合受力分析及結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)

錢(qián)軍剛

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

水電站廠(chǎng)房中，蝸殼作為水下部分的核心結(jié)構(gòu)，其相關(guān)結(jié)構(gòu)計(jì)算關(guān)乎整個(gè)工程的正常運(yùn)行。對(duì)于中高水頭情況下，蝸殼的結(jié)構(gòu)形式包括三種：彈性墊層蝸殼、充水保壓蝸殼及完全聯(lián)合承載蝸殼[1]。相比于彈性墊層蝸殼，充水保壓蝸殼可顯著降低鋼材用量，同時(shí)更有利于減輕機(jī)組及蝸殼震動(dòng)。相比于完全聯(lián)合承載蝸殼，充水保壓蝸殼可充分發(fā)揮蝸殼的承壓能力，避免了蝸殼外圍混凝土在運(yùn)行水壓力作用下而產(chǎn)生的貫穿裂縫，同時(shí)可減少外圍混凝土的配筋[2]。鑒于充水保壓蝸殼的相對(duì)顯著優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，充水保壓蝸殼在國(guó)內(nèi)外各大中型水電站工程中廣泛應(yīng)用[3～5]。充水保壓蝸殼設(shè)計(jì)中，保壓值的選取較為重要。過(guò)低的保壓值無(wú)法保證鋼蝸殼完全發(fā)揮其抗拉性能，致使外圍混凝土承擔(dān)內(nèi)水壓力增大，進(jìn)而使混凝土配筋增大，不利于經(jīng)濟(jì)效益；保壓值過(guò)大，在低水頭運(yùn)行工況下，蝸殼與外圍混凝土間存在間隙，在機(jī)組抗震方面存在問(wèn)題。因此，采用有限元法計(jì)算蝸殼合理充水保壓值顯得尤為重要。在蝸殼有限元計(jì)算方面，目前大多數(shù)有蝸殼限元計(jì)算模型都進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并未細(xì)致模擬各個(gè)部件，同時(shí)大都做定性分析，對(duì)應(yīng)力、位移等分布規(guī)律具有一定的意義。然而，更為精細(xì)的數(shù)值計(jì)算及定量的模擬分析在工程設(shè)計(jì)中具有重要地位。

本文依托于新疆蓋孜水電站，采用精細(xì)化建模技術(shù)，細(xì)致地模擬了蝸殼進(jìn)水段、舌板、本體各節(jié)、座環(huán)、固定導(dǎo)葉、支架、打壓悶頭等金屬結(jié)構(gòu)部件，以及機(jī)墩、蝸殼外包混凝土、蝸殼支架固定混凝土、尾水管外圍混凝土、開(kāi)孔等構(gòu)件和部位。力求數(shù)值模擬模型與工程實(shí)際相符合，以使得計(jì)算成果對(duì)設(shè)計(jì)和施工具有實(shí)際的參考價(jià)值。繼而運(yùn)用數(shù)值模擬軟件，對(duì)蝸殼充水保壓值進(jìn)行了計(jì)算分析，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)而指導(dǎo)外圍混凝土配筋計(jì)算。研究成果為相關(guān)工程提供了借鑒。

1 工程概況

蓋孜水電站工程是蓋孜河中游河段水電規(guī)劃中推薦的“一庫(kù)五級(jí)”開(kāi)發(fā)的第二個(gè)梯級(jí)，它位于蓋孜河布侖口—公格爾水電站工程下游，電站首部銜接布侖口—公格爾水電站尾水。電站發(fā)電額定水頭347m，裝機(jī)容量116MW，工程等別為Ⅲ等，屬中型工程。

水電站發(fā)電廠(chǎng)房由主廠(chǎng)房部分、副廠(chǎng)房部分及尾水建筑物部分組成，主廠(chǎng)房長(zhǎng)62.95m(其中安裝間長(zhǎng)20.55m)、寬19.30m；機(jī)組安裝高程2244.73m，機(jī)組間距12.80m。主廠(chǎng)房?jī)?nèi)布置3臺(tái)38.7MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

2 蝸殼結(jié)構(gòu)型式的選擇

蓋孜水電站水頭為346.33～373.77m，在該水頭段可供選擇的水輪機(jī)型式有混流式與水斗式兩

圖1 有限元模型示意圖

種。通過(guò)對(duì)機(jī)組性能、經(jīng)濟(jì)及運(yùn)行穩(wěn)定性等綜合比較，確定采用混流式水輪機(jī)組，額定水頭347m。

根據(jù)《水電站廠(chǎng)房規(guī)范》，蝸殼的型式可根據(jù)作用水頭大小選用金屬蝸殼或鋼筋混凝土蝸殼。當(dāng)最大水頭在40m以上時(shí)宜采用金屬蝸殼，若采用鋼筋混凝土蝸殼，則應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證[6]。因此，該工程蝸殼形式采取金屬蝸殼。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知，一般情況下，蝸殼打壓順序有的兩種:①蝸殼先打壓，然后再澆筑混凝土；②先澆筑蝸殼下半部分混凝土，再蝸殼打壓，然后再澆筑上部混凝土。打壓形式采取第一種較優(yōu)，因此本文采取先打壓后澆混凝土的順序進(jìn)行蝸殼打壓。

3 有限元計(jì)算分析

3.1 有限元數(shù)值模型

運(yùn)用有限元軟件，采用精細(xì)化建模技術(shù)，建立三維數(shù)值計(jì)算模型，三維數(shù)值模型如圖1所示。數(shù)值模型共計(jì)110524個(gè)單元，其中，蝸殼進(jìn)水段、舌板、本體各節(jié)采用殼單元，座環(huán)、固定導(dǎo)葉、混凝土和砌體結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元，絕大多數(shù)殼單元為四邊形，絕大多數(shù)實(shí)體單元為六面體。

充水保壓蝸殼的顯著特點(diǎn)是蝸殼與外包混凝土之間的縫隙會(huì)依工況變化而出現(xiàn)開(kāi)合，存在摩擦接觸關(guān)系，為保證模擬計(jì)算精確性，采用Coulomb摩擦模型進(jìn)行計(jì)算，采用罰函數(shù)法進(jìn)行接觸迭代判斷。干燥狀態(tài)下混凝土和鋼材之間的摩擦系數(shù)為0.6～0.7，由于蝸殼外表面處理較為光滑，故本項(xiàng)文中取0.6。由于配筋方案未定，模型中未模擬蝸殼外圍的鋼筋。因外圍厚重的大體積鋼筋混凝土應(yīng)變較小，混凝土與鋼筋應(yīng)變量接近，通過(guò)混凝土應(yīng)力算得內(nèi)力，用于配筋設(shè)計(jì)。模型主要材料的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要材料的力學(xué)參數(shù)

3.2 充水保壓值方案擬定

金屬蝸殼鋼襯一般按全水頭設(shè)計(jì)，保壓值的選取關(guān)系到工程投資和影響機(jī)組運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。參照國(guó)內(nèi)幾個(gè)電站的保壓值的取值情況，大多在靜水頭的80%以上，如廣州抽水畜能二期工程的保壓值為靜水頭的83%，柳洪水電站保壓值為靜水頭的84%，天荒坪電站保壓值取靜水頭的80%。

蓋孜水電站初步選取保壓值取靜水頭的80%、85%、90%三個(gè)方案，分別對(duì)應(yīng)蝸殼充水保壓值3.0、3.2、3.4MPa，分別采用三維有限元方法對(duì)控制工況下蝸殼外圍混凝土的應(yīng)力狀態(tài)、變形規(guī)律等進(jìn)行分析。通過(guò)控制工況下的初步計(jì)算成果，選定蝸殼充水保壓值。

3.3 不同充水保壓值計(jì)算結(jié)果分析

圖2 剖面位置示意圖

通過(guò)對(duì)蝸殼充水保壓值3.0、3.2、3.4MPa(均先假定采用先打壓后澆筑的方式)在電站3.4、3.7、4.5MPa水頭運(yùn)行時(shí)(低水頭運(yùn)行346.33、高水頭運(yùn)行373.77m和承受水錘壓力448.8m)的結(jié)構(gòu)受力和接觸狀態(tài)的影響分析，選取推薦的蝸殼充水保壓值。擬定蝸殼典型剖面位置，如圖2所示。

提取三維有限元計(jì)算結(jié)果，對(duì)特征剖面處力學(xué)特性進(jìn)行分析，進(jìn)而反應(yīng)出不同工況的優(yōu)劣性。

圖3給出了在不同打壓工況下，內(nèi)水壓力在4.5MPa(對(duì)應(yīng)448.8m水頭)時(shí)I-I剖面大于1MPa拉應(yīng)力分布情況。

表2 給出了不同保壓工況下不同剖面處的有限元計(jì)算結(jié)果。

表2 4.5MPa運(yùn)行時(shí)外圍混凝土拉應(yīng)力對(duì)比 單位：MPa

注：表中應(yīng)力負(fù)值為壓應(yīng)力，位移為負(fù)值指向上游。

根據(jù)圖3及變2可知，蝸殼采取3.0、3.2、3.4MPa壓力值打壓，3種工況在運(yùn)行期蝸殼內(nèi)水壓力達(dá)到在4.5MPa(對(duì)應(yīng)448.8m水頭)時(shí)，外包混凝土的拉應(yīng)力最大。3種工況外包混凝土的應(yīng)力分布規(guī)律基本相同：主拉應(yīng)力沿蝸殼環(huán)向，拉應(yīng)力超過(guò)1MPa的區(qū)域僅見(jiàn)于與蝸殼頂、底接觸的淺層區(qū)域，外包混凝土內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生大范圍受力破壞區(qū)，不會(huì)發(fā)生由內(nèi)貫穿至混凝土結(jié)構(gòu)表面的開(kāi)裂。澆筑混凝土?xí)r蝸殼保壓值越低，則混凝土在運(yùn)行期分擔(dān)的內(nèi)水壓力越多，混凝土中拉應(yīng)力越大(見(jiàn)表2)，對(duì)應(yīng)的配筋量越大。

表3給出了4.5MPa內(nèi)壓運(yùn)行時(shí)不同保壓工況下蝸殼I-I剖面MISES應(yīng)力與位移的有限元計(jì)算結(jié)果。

通過(guò)表3給出的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，提取澆筑混凝土?xí)r蝸殼保壓值越低，則運(yùn)行期混凝土在分擔(dān)的內(nèi)水壓力越多，蝸殼承擔(dān)內(nèi)水壓力越少，其應(yīng)力和變形也越小。

在蝸殼與外包混凝土的接觸的緊密程度方面，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可知：3.4、3.2、3.0MPa三種打壓工況均能保證蝸殼與混凝土之間絕大多數(shù)部位貼合，3.4MPa打壓工況蝸殼與混凝土之間脫開(kāi)的部位最多，3.0MPa打壓工況脫開(kāi)得最少。

鑒于以上計(jì)算結(jié)果，分析對(duì)比充水保壓值為3.0、3.2、3.4MPa的影響可知：澆筑外包混凝土

圖3 不同打壓工況下混凝土I-I剖面大于1MPa拉應(yīng)力圖

表3 4.5MPa內(nèi)壓運(yùn)行時(shí)蝸殼I-I剖面MISES應(yīng)力與位移對(duì)比

注：Mises應(yīng)力(單位:MPa)/位移對(duì)比(單位:mm)。

圖4 有限元模型示意圖

時(shí)的蝸殼保壓值越低，在運(yùn)行期，外包混凝土分擔(dān)的內(nèi)水壓力越多、蝸殼應(yīng)力越小、蝸殼與混凝土貼合越緊密。通過(guò)混凝土應(yīng)力、蝸殼應(yīng)力及二者的接觸狀況綜合考慮，推薦充水保壓值取3.0MPa或3.2MPa，不主張保壓值取3.4MPa。

4 蝸殼外圍混凝土配筋計(jì)算

4.1 計(jì)算邊界條件

結(jié)合有限元計(jì)算分析成果，外圍混凝土配筋計(jì)算邊界條件為：①采用先蝸殼打壓，再澆筑蝸殼外包混凝土，上、下部混凝土同時(shí)澆筑；②采用3.2MPa充水保壓值。充水保壓值3.2MPa工況，運(yùn)行期內(nèi)水壓力3.7MPa時(shí)，蝸殼鋼襯承擔(dān)內(nèi)水壓力的比例為83.2%，外圍混凝土的承載比為16.8%；③外包混凝土受力鋼筋應(yīng)沿蝸殼和進(jìn)水段的環(huán)向配置。在蝸殼內(nèi)水壓力作用下，外包混凝土內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生大范圍破壞，不會(huì)發(fā)生貫穿性開(kāi)裂。

4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算及配筋

按照以上邊界條件的確定，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算及配筋計(jì)算，分別進(jìn)行正常運(yùn)行(內(nèi)水壓力包括水錘壓力)及蝸殼放空兩種工況計(jì)算。選取蝸殼0°、90°單寬1m、采用“┓”形框架并考慮剪切變形影響進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，計(jì)算中不考慮溫度應(yīng)力的影響，混凝土的承載比按16.8%考慮。通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算，采用構(gòu)造配筋即可滿(mǎn)足承載能力極限狀態(tài)計(jì)算及正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算要求，如圖4所示。

蓋孜蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)厚度較大，受邊界溫度及澆筑過(guò)程等影響，溫度荷載及溫度應(yīng)力計(jì)算復(fù)雜。參照二灘水電站蝸殼聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，溫度應(yīng)力可以采用不計(jì)算溫度應(yīng)力，按計(jì)算所需的配筋量再增加一定比例的溫度筋的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋。通過(guò)有限元計(jì)算分析，在蝸殼內(nèi)水壓力作用下，外包混凝土內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生大范圍破壞，不會(huì)發(fā)生貫穿性開(kāi)裂。蓋孜蝸殼在最大水頭情況下機(jī)組甩負(fù)荷的工況HD值為538，與廣蓄電站蝸殼較為相似。蓋孜蝸殼配筋方案為：沿蝸殼環(huán)向配置雙層鋼筋25@150，考慮施工方便，鋼筋間距定為250mm。沿水流流道方向配置分布鋼筋20@200。

圖5 蝸殼剖面配筋示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

蓋孜水電站屬高水頭電站，鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合承載蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選擇關(guān)系到工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)有限元分析計(jì)算，確定蝸殼外包混凝土的澆筑方式為先打壓后澆筑的方式。澆筑時(shí)采用預(yù)壓320m水頭，占甩負(fù)荷工況71%較為適宜。采用雙層配筋的方式并考慮方便施工的因素限制外圍混凝土產(chǎn)生較大的裂縫。蓋孜電站已投產(chǎn)運(yùn)行，運(yùn)行正常，對(duì)今后下游相似水頭的電站的設(shè)計(jì)具有較好的參考價(jià)值。