機墩厚度和開孔率對水電站廠房結構振動特性影響分析研究

羅乾坤，冉昱呈，張順利，李治國

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

發電廠房是水電站的重要建筑物，承擔著將水能轉換為電能的任務。水電站廠房屬于動力廠房，由于結構和功能的需要，運行過程中不可避免地會發生振動[1-2]。近年來，已投產運行的水電站出現廠房振動問題的實例逐漸增多。例如，巖灘水電站自投產以來機組在設計水頭以上較高水頭段運行時，機組和主機間廠房出現強烈振動，沉悶的共鳴聲干擾了運行人員的正常工作，機旁表盤柜由于振動曾發生保護回路壓板松動掉落而引起誤動作，導致機組停機的事故[3-4]；紅石水電站投產以來機組振動大，尤其是在空載無勵磁、空載有勵磁以及負荷3.8萬kW以下區域振動相當嚴重，主要表現為大軸擺度過大、噪聲大，機組段之間橫縫逐年增大，廠房四周墻柱出現周邊裂縫[5]；張河灣抽水蓄能電站在運行過程中，廠房結構出現了強烈的振動，同時伴隨很大的噪聲，無論對于廠內設備安全還是運行人員健康都構成了嚴重影響[6]。

隨著西南地區一批巨型電站開工建設，以及我國水電機組設計制造水平的提高，水輪發電機組單機容量不斷加大，導致廠房結構尺寸增大和結構形式更加復雜，機組及廠房結構的剛度相對減弱，復雜振源形成的振動能量巨大，易誘發廠房結構的振動。其中，機墩組合結構是主要的機組支撐體系，其剛度對機組的穩定運行具有重要的影響作用[7]。機墩組合結構為承受機組靜動荷載的主體結構，自身結構體系較為復雜且開有孔洞。《水電站廠房設計規范》(NB 35011-2016)從保證機組旋轉系統的支承結構有足夠的剛度、軸系統的自振頻率符合共振復核和剛性轉子設計要求，以及控制軸系統的擺度不致超標的角度，對圓筒式機墩的共振復核和強迫振動最大振幅進行了規定[8]。

在技施設計初期，由于缺乏詳細和準確的機組資料，設計人員一般根據機組規模和特點參照類似工程擬定廠房布置和機墩厚度，后期根據廠家資料采用規范方法或有限元方法對機墩結構進行動力計算。由于擔心機墩剛度的減弱造成廠房振動過大，針對機墩厚度和開孔問題，土建和機電專業矛盾較為突出，前者希望機墩厚度更大、開孔盡量少以確保機墩結構具有足夠的支撐剛度，后者則希望采用較小的機墩厚度和預留較多孔洞以便有更多空間布置機電設備，以保證檢修方便。

為探討機墩厚度和開孔尺寸對水電站廠房結構振動特性的影響，本文選擇某大型水電站2號機組段為例，以機墩厚度和主要廊道開孔尺寸為變量擬定不同機墩結構，進行廠房結構動力分析。

1 計算模型及方案

1.1 工程概況

某大型水電站位于甘孜州瀘定縣境內，為大渡河干流規劃調整推薦22級方案的第12個梯級電站。水電站總裝機容量920 MW，單機容量230 MW，共4臺機組，發電廠房為岸邊式地面廠房。

1.2 數值計算模型

選取2號機組段進行數值模擬計算。2號機組段沿廠房縱軸線方向總長為29.78 m，沿廠房上下游方向寬度為57.70 m，高度從1 275.15 m高程(尾水管底板高程)到1 335.40 m高程(排架頂高程)，共計60.25 m。

數值計算模型(見圖1)按照實際尺寸建立廠房整體結構計算模型。考慮基巖作用，上下游側和底部基巖均為60 m，大致為廠房高度(發電機層樓板高程至建基面高程)的1.5倍。

圖1 計算模型示意

計算模型采用笛卡爾直角坐標系，其X軸為水平方向，沿廠房縱軸指向左端為正(面向下游)；Y軸為鉛垂方向，向上為正；Z軸為水平方向，指向下游為正。坐標系原點取在水輪機安裝高程(1 299.15 m)與機組軸線相交處。基巖底部和上下游側邊界條件采用黏彈性人工邊界處理，基巖側面法向約束。

鋼蝸殼、座環、尾水管內襯、機井內襯采用四結點板/殼單元，個別過渡區域采用三結點板/殼單元；混凝土、基巖均采用八結點六面體單元，個別區域采用四面體單元過渡。

1.3 材料特征參數及荷載

1.3.1 材料特征參數

混凝土材料參數及鋼蝸殼、座環、尾水管及墊層材料參數分別見表1～2。

表1 混凝土材料參數

表2 鋼蝸殼、座環及尾水管材料參數

1.3.2 荷 載

由于本文主要目的是探討機墩厚度和開孔尺寸對水電站廠房結構振動特性的影響，因此不同方案均采用正常運行工況下機組振動荷載，采用諧響應方法施加荷載。上機架基礎、定子基礎、制動器基礎和下機架基礎荷載見圖2和表3。

圖2 機組基礎荷載示意

表3 額定運行工況下單個上機架、定子基礎和下機架基礎荷載

1.4 計算方案

根據原設計方案，2號機組段機墩處設有機坑進人孔和下機架基礎進人通道(見圖3)，尺寸分別為2.0 m×1.8 m(寬×高)和1.2 m×1.5 m(寬×高)，機墩外徑為19.0 m。為了研究機墩厚度和開孔率對廠房結構動力特性的影響，擬定了如下幾種方案。

方案1：機坑進人孔和下機架基礎進人通道尺寸分別為2.0 m×1.8 m(寬×高)和1.2 m×1.5 m(寬×高)，機墩外徑為19.0 m；

方案2：機坑進人孔和下機架基礎進人通道尺寸分別為2.5 m×2.0 m(寬×高)和2.0 m×1.8 m(寬×高)，機墩外徑為19.0 m；

方案3：保持機坑進人孔和下機架基礎進人通道尺寸分別為2.0 m×1.8 m(寬×高)和1.2 m×1.5 m(寬×高)不變，但將機墩外徑增加到20.6 m；

方案4：保持機坑進人孔和下機架基礎進人通道尺寸分別為2.0 m×1.8 m(寬×高)和1.2 m×1.5 m(寬×高)不變，但將機墩外徑減小到17 m。

2 計算結果分析

2.1自振特性分析

2.1.1 廠房整體結構自振特性

表4為廠房結構在各方案下前20階自振頻率，從表4可以得出：

表4 4種方案廠房前50階自振頻率 單位：Hz

(1)方案1分別與方案3和方案4計算結果對比顯示：機墩外徑增加到20.6 m后，廠房整體結構自振頻率大部分稍有增加，但增幅極小，不超過1%；機墩外徑減小到17 m后，廠房整體結構自振頻率大部分稍有減小，但減幅極小，不超過1%。由此可見，機墩厚度變化對廠房整體結構的自振頻率有一定影響，但影響很小。

(2)方案1和方案2計算結果對比顯示：機坑進人孔和下機架基礎進人通道尺寸增大后，廠房整體結構自振頻率幾乎沒有變化，即機墩開孔率對廠房整體結構的自振頻率影響不大。

(a)機墩平面布置 (b)A-A剖面

2.1.2 樓板結構自振特性

樓板作為廠房結構的薄弱部位且邊界支撐為機墩結構，因此對發電機層樓板自振頻率和振型進行統計并對比分析。發電機層樓板前20階自振頻率統計見表5。為描述發電機層樓板振型，將樓板分為4個區域(見圖4)，4種方案樓板的前10階振型見表6。

圖4 發電機層樓板分區示意

表5 4種方案發電機層樓板結構前20階自振頻率 單位：Hz

表6 4種方案樓板前10階振型

(1)從表5可以看出，與方案1相比，方案2的自振頻率均有所減小，但減小幅度極小，最大僅為-0.16%，可忽略不計。這說明增大機坑進人孔和下機架基礎進人通道尺寸不會對樓板自振頻率產生影響。同樣與方案1對比，方案3自振頻率稍有增加，最大增幅2.66%，方案4則稍有減小，最大減幅為-4.2%，這說明機墩外徑的變化對樓板自振頻率有一定影響，但影響不是很大。

(2)從表6可以看出：4種方案的發電機層樓板振型基本一致，差別不大，說明不同機墩開孔率(機坑進人孔和下機架基礎進人通道尺寸、機墩外徑)對樓板的振型影響程度不大。

2.2 諧響應分析

機墩作為機組支撐結構，承擔了主要的基礎荷載；樓板作為薄弱結構，是機電設備和人員活動的主要場所，因此機墩結構和樓板的振動響應是設計者關心的重點。下文對各方案機墩結構和樓板的振幅進行統計分析，研究機墩厚度和開孔尺寸對機墩和樓板振幅的影響。

2.2.1 發電機基礎振幅性

表7列出了發電機基礎各向振幅的最大值。從表7中可以看出，相比于方案1，方案2發電機基礎各部位各向振幅變化幅度較小，均小于3.1%。這說明增大孔洞尺寸對發電機基礎振幅影響不大。從方案3和方案4的結果來看，增加或減小機墩外徑對上機架基礎、定子基礎和下機架基礎均有較大的影響。增加機墩外徑能在一定程度上減小發電機基礎的振幅，最大減幅可達-11.43% ；機墩外徑減小后，發電機基礎的振幅明顯提高，特別是上機架基礎和定子基礎的振幅，其中，Y向振幅最大增加了19.85%，Z向振幅最大增加了17.67%。

表7 4種方案發電機基礎振幅 單位：μm

2.2.2 發電機層樓板豎向振幅

表8列出了發電機層樓板特征點的豎向振幅。從表8可以看出，方案2機坑進人孔和下機架基礎進人通道尺寸增大后對發電機層樓板豎向振幅沒有影響；方案3增大機墩外徑后，4個特征點的豎向振幅均有所減小，幅度約在-4.6%～-6.5%；方案4減小機墩外徑后，4個特征點的豎向振幅均有所增加，增幅最大達到了15.58%。由此說明，本工程正常運行工況時，在機組振動荷載作用下，機墩外徑的增大可以減小發電機層樓板振幅，反之會增大樓板振幅。

表8 4種方案樓板特征點豎向振幅 單位：μm

3 結 論

(1)本文通過對機墩厚度和開孔率對水電站廠房結構振動特征的影響分析研究，得出機墩厚度對廠房結構振動特性的影響：①機墩厚度的變化對廠房整體結構和樓板的自振頻率影響很小。②在正常運行工況機組動荷載作用下，機墩厚度變化對發電機基礎振幅和發電機層樓板豎向振幅有較大影響。

機墩厚度增大可減少發電機基礎的振幅，最大減幅可達到-11.43% ；機墩厚度減小，則發電機基礎振幅明顯提高，Y向振幅最大增加了19.85%。機墩厚度的增大會減小樓板豎向振幅，反之則會增加豎向振幅，且最大增幅超過了10%，達到了15.58%。③機墩是機組的重要支承結構，也是廠房的核心受力構件，其厚度的增大可以提高廠房的整體剛度和機墩自身剛度，減小發電機基礎和發電機層樓板振動幅值，因此可通過優化機墩的厚度改善廠房抗振性能。

(2)機墩開孔率對廠房結構振動特性的影響：①機墩開孔率對廠房整體結構和樓板的自振頻率影響很小，絕大部分振型的頻率增幅不超過1.5%，對樓板的自振頻率和振型幾乎沒有影響。②在正常運行工況機組動荷載作用下，機坑進人孔和下機架基礎進人通道尺寸的增大對發電機基礎以及樓板豎向振幅影響不大，增幅均小于3%。③本文所選計算對象機墩開孔率為3.5%，研究結果表明，機墩開孔大小對廠房結構自振特性和諧響應均影響很小。主要原因是水電站廠房機墩開孔率較低，一般為2%～7.5%，因此，滿足機組正常使用需求的開孔不會造成機組振動過大。但機墩作為發電廠房的重要支撐結構，為了保持機墩結構設計的整體剛度，應避免過密、過大及在基礎板等關鍵受力部位開孔。