藏木水电站蜗壳垫层式与直埋式受力特征比较分析

马玉岩,龚少红，王 蕊

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

目前，我国水电能源开发空前发展，一大批水电站正在设计和建设中， 蜗壳结构作为水电站厂房水下结构的重要组成部分，不仅要承受巨大的内水压力，还要承受上部机电设备和楼板等传来的各种荷载。 能否保证蜗壳结构正常工作的安全性和耐久性直接关系到水电站能否长期正常运行，能否发挥应有的社会效益和经济效益。

水电站蜗壳结构型式主要有垫层蜗壳、充水保压蜗壳、直埋式蜗壳(完全联合承载蜗壳)等三种型式，它们各有特点，其中垫层蜗壳外围混凝土受力较小、施工工序相对简单、工期较短，但对机组运行稳定性可能有一定影响；充水保压蜗壳在机组正常运行时，蜗壳与外围混凝土联合受力，机组稳定性好，但施工工序复杂、工期较长、造价高；直埋式蜗壳施工最简单，工期较短，但外围混凝土受力较大，配筋较多，钢筋施工较为困难，而且混凝土开裂范围可能比前两种型式更为严重[1-2]。

因三种蜗壳型式的上述特点，结合藏木水电站水头不高，工期紧的实际情况，本文通过数值模拟方法，对其采用垫层蜗壳和直埋式蜗壳两种方案的受力特征加以对比研究，以期为蜗壳埋设方式的合理选择和优化设计提供参考。

1 工程概况与基本数值模型

藏木水电站单机容量85MW，蜗壳进口断面直径6.1m，HD值约为574m2。机组额定水头53.5m，最大水头67m，最小水头44.30m，最大水锤升压水头约为94.2m。计算中，蜗壳内水压力按照最大水锤升压水头计算。

正常运行工况下，发电机层和水轮机层楼面无检修设备，仅本机组机旁盘等少量固定设备，假定为均布活荷载，分别取为10kN/m2、5kN/m2。

进口断面蜗壳直径最大、外包混凝土厚度最薄，为应力分析时最不利的控制断面，本次计算就采用进口段包含一个完整固定导叶在内的扇形区域作为其计算基本模型。需要说明的是，实际上，蜗壳断面尺寸沿水流向是渐缩的，蜗壳外包混凝土厚度沿水流向也是变化的，这种近似处理与实际有一定的差别，但从计算结果来看，与整体全三维模型计算结果符合较好[3]，计算量显著降低。

在计算范围内，对水轮机钢锅壳、座环以及外围混凝土均按实际尺寸进行模拟。计算模型底部边界及蜗壳外侧混凝土边界施加全约束，沿蜗线方向混凝土边界施加法向约束，上部边界为自由[4]。

整个模型由块体单元模拟混凝土及上下环板， 板壳单元模拟钢蜗壳及固定导叶。蜗壳钢板与外围混凝土之间采用面-面接触单元来模拟其接触关系。计算荷载主要考虑结构自重、内水压力和由上部机墩传递的机组荷载等。计算模型的材料参数见表1。

表1 材料参数

计算时考虑厂房施工和机组安装的顺序，第一步施加与水荷载无关的荷载，即厂房完建时的荷载，包括结构自重、机组设备荷载和各楼层活载(简称水荷载作用前)；第二步施加与水荷载有关的荷载：蜗壳内水压力、尾水管内水压力(简称水荷载作用后)。

2 垫层型式计算方法与成果

为减轻钢蜗壳在上过渡板处的应力集中,在上过渡板附近一定范围内一般不设垫层。按照垫层上末端距机坑里衬3.0 m、下端至腰线下15°铺设，垫层材料变形模量取2.5 MPa，泊松比0.05，垫层厚度30 mm计算。

单元分为座环、钢蜗壳、垫层和混凝土四大组。钢蜗壳、座环、机井里衬、尾水管里衬采用四结点平面板壳单元，个别过渡区域采用三结点板壳单元；垫层和外围混凝土采用八结点三自由度六面体单元，个别区域采用三自由度四面体单元过渡。蜗壳和垫层及蜗壳与混凝土之间采用面—面接触单元模拟其接触关系[5]，摩擦系数取0.25。

整个计算模型共2 121个节点，1 520个单元，其中座环26个单元，钢蜗壳124个单元，接触单元248个单元。座环、钢蜗壳、垫层和整体模型单元见图1。

图1 FEM计算模型

计算结果显示，垫层蜗壳应力水平普遍较低，其中，钢蜗壳Mises应力最大值达到77.821MPa，座环Mises应力最大值达到52.239MPa，绝大部分混凝土抗拉强度标准值(C25混凝土为1.78MPa)可满足应力要求，但座环蝶形边外混凝土出现应力集中，应力值较大。钢蜗壳、座环和混凝土的应力，分别见图2～5。

图2 钢蜗壳Mises应力(MPa) 图3 座环Mises应力(MPa)

图4 混凝土第一主应力(MPa) 图5 混凝土第三主应力(MPa)

根据计算结果，整理了该断面钢蜗壳各特征点(位置见图6)的环向应力，根据公式1计算蜗壳外围混凝土的承载比。计算显示，设垫层的上半周混凝土承载比(39.29%)比下半周混凝土承载比(53.31%)小得多，即设垫层区域蜗壳与混凝土联合承载程度小得多，有利于充分发挥钢蜗壳的承载作用，计算结果见表2。

(1)

式中δ——典型断面处钢蜗壳厚度,mm；

r——典型断面处钢蜗壳半径,mm；

σ0——钢蜗壳环向应力平均值,MPa；

p——钢蜗壳设计内水压力(含水击压力)，取0.942MPa。

图6 蜗壳断面特征点

部 位钢蜗壳应力/MPa2/9点3/8点4/7点5点δ/mmδ∗σ0蜗壳断面半径/mm混凝土承载比η/%上半周53.1354.7149.7338.11341 663.282 908.439.29下半周32.7238.3341.3238.11341 279.082 908.453.31

3 直埋式计算方法与成果

直埋式蜗壳在任何水头下，钢蜗壳与外围混凝土始终结成整体，一起构成主要承载构件。从蜗壳承担荷载(主要是蜗壳内水压力)的工作机理分析，直埋式蜗壳可以看成是垫层厚度为零的垫层蜗壳的一个特例[6]。

直埋式计算模型、边界条件等均与垫层型式蜗壳模型相同，只是将垫层单元赋以混凝土的力学参数。

计算结果显示，钢蜗壳应力水平较低，其Mises应力最大值为27.814MPa，未能充分发挥其承载能力，座环Mises应力最大值为27.691MPa，蜗壳外围混凝土应力分布较为均匀，但拉应力数值很大，第一主应力最大值为9.164MPa。钢蜗壳、座环和混凝土的应力分别见图7～10。

图7 钢蜗壳Mises应力(MPa)图8 座环Mises应力(MPa)

图9 混凝土第一主应力(MPa)图10 混凝土第三主应力(MPa)

根据计算结果，与垫层方案计算方法相同，整理了该断面钢蜗壳各特征点(位置见图6)的环向应力，根据公式1计算蜗壳外围混凝土的承载比。计算显示，上、下半周混凝土承载比较为接近，均为85%左右，钢蜗壳作用未得到充分发挥，计算成果见表3。

表3 钢蜗壳环向应力和混凝土承载比

4 结 论

(1)相对于直埋方案，垫层方案具有可合理调整蜗壳各部分分担内水压力的特点，设置垫层能显著降低腰线部位内外圈和设置垫层段混凝土内圈等薄弱部位的环向拉应力，对于混凝土与钢蜗壳直接接触的部位(不铺设垫层部位)，其应力有较大幅度的降低。

(2)直埋蜗壳外围混凝土应力分布较为均匀，但局部拉应力数值很大，超过了混凝土的设计抗拉强度，对混凝土抗裂和整体稳定性不利，进而影响到整个蜗壳结构的刚度。

(3)两种蜗壳型式的计算表明，钢衬与座环蝶形边连接处的应力集中是不容忽视的。计算表明，由于蜗壳联合承载结构座环蝶边处的混凝土保护层相对薄弱，受应力集中的影响，在内水压力作用下，在上、下蝶边附近的蜗壳外围混凝土应力较大，因此须加强此部位的构造钢筋。

(4)对垫层蜗壳而言，设垫层的上半周混凝土承载比比下半周混凝土承载比小得多，即联合承载程度小得多，有利于充分发挥钢蜗壳的承载作用；直埋蜗壳使得外围混凝土承担内压高达85%左右，需要配置大量的钢筋，而钢蜗壳的作用没有得到充分发挥。

(5)通过以上计算分析与比较，两种蜗壳型式在技术上都是可行的，可以满足结构强度和正常使用的要求。但是综合比较而言，垫层蜗壳较好，因为直埋蜗壳配筋量大，同时蜗壳外围混凝土可能有较大范围的开裂，降低结构刚度和影响结构的耐久性。

(6)考虑到水电工程的复杂性，对具体工程的蜗壳型式的选择还需考虑蜗壳组合结构、温度荷载以及厂房整体的动力特性等。

参考文献：

[1] 李杰，姚栓喜，赵晓峰，等.大型水轮发电机组钢蜗壳—蜗壳混凝土承载结构型式研究[R].中国水电顾问集团成都勘测设计研究院、西北勘测设计研究院.2009.

[2] 李光顺.关于高水头、大容量水电站机组蜗壳结构型式的探讨[J].水力发电,2010(10):39-41.

[3] 刘国华,王振宇,钱镜林.混凝土蜗壳有限元分析研究[J].中国农村水利水电,2012(11):47-50.

[4] 张运良,马震岳,程国瑞,陈婧.巨型水电站采用垫层蜗壳的分析与探讨[J].水电能源科学,2006(12):65-68.

[5] 孙海清，伍鹤皋,郝军刚,何敏.接触滑移对不同埋设方式蜗壳结构应力的影响分析[J].水利学报,2010(5):619-623,629.

[6] 伍鹤皋,蒋逵超,申艳,马善定.直埋式蜗壳三维非线性有限元静力计算[J].水利学报,2006(11):1323-1328.