赞比亚伊泰兹水电站厂房上游墙止推环结构应力分析

王红强

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安　710065)



赞比亚伊泰兹水电站厂房上游墙止推环结构应力分析

王红强

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安710065)

摘要：应用三维有限元计算伊泰兹水电站厂房上游墙止推环结构及其附近混凝土应力，并依据止推环及其邻近压力钢管在蜗壳不平衡水推力作用下的结构应力进行安全性评价。环后混凝土结构应力分布对结构配筋计算具有一定的参考价值。

关键词：止推环；不平衡水推力；结构应力;伊泰兹水电站

1工程概况

伊泰兹水电站位于赞比亚南方省丘莫市伊泰兹区，大坝位于赞比西河和凯福河交汇点上游295 km处。伊泰兹大坝于1978年建成，是下游凯福峡水电站的调节水库，主要用于蓄水灌溉和凯福河流量管理，调节上凯福峡水电站的水力发电流量。新建水电站利用南导流洞改建为引水洞，并开挖、修建新的引水洞和调压井，以及地面厂房和尾水渠[1-2]。主厂房内布置2台单机容量为60 MW的轴流式水轮机组，额定水头40 m，总装机容量120 MW。机组单机引用流量155.4 m3/s。厂房结构横缝采用一机一缝。主厂房宽29.0 m，1号机组段长25.0 m，2号机组段长25.5 m，高度53.0 m。主厂房上游每台机组布置一台直径为6.3 m的进水蝶阀。机组采用金属蜗壳，进口直径6.3 m。

经调查，很多水电站工程设计中都采用在蜗壳进口断面上游处设置止推环的方式来减小不平衡水推力所造成的不利影响[2-6]。特别针对伸缩节过缝形式，在伸缩节下游设置止推环来承担部分蜗壳不平衡水推力已经成为业界的共识[1，7-8]。但伊泰兹水电站项目因厂房尺寸及机电承包商有关流道系统的布置要求等因素的限制，止推环的位置一反常态没有设在大体积混凝土内部，而设在最小厚度仅为1.2 m的上游墙内部。止推环的这种布置形式对压力钢管以及环后混凝土的应力状态产生较为复杂的影响。

2研究的主要内容

2.1压力钢管及止推环应力分析

考虑在不平衡水推力及内水压力作用下，与止推环相接部分的压力钢管及止推环本身的应力状态，计算分析压力钢管的局部膜应力与弯曲应力叠加区的应力值及总体膜应力，并与各自对应的允许应力强度相比较。同时计算分析止推环的二次应力并与允许应力强度相比较。根据上述比较结果对止推环及其邻近部位压力钢管的结构应力是否满足美国规范的要求进行评价。

2.2环后混凝土结构应力分析

因该项目的止推环位于厂房上游墙内，在巨大不平衡水推力的作用下，为了保证上游墙的安全，采用局部三维模型对止推环后混凝土结构进行三维有限元计算，重点就环后混凝土的拉应力区域及大小进行分析，为环后混凝土的配筋提供依据。

3不平衡水推力对压力钢管及止推环的应力分析

3.1计算模型

采用三维有限元软件ANSYS建立厂房上游墙及墙内止推环模型，对止推环结构用实体单元模拟[9]。计算采用笛卡尔坐标系，Z轴为水流方向，X轴为水平方向，Y轴为垂直方向。因本计算研究重点为止推环及其邻近混凝土应力，故将上游墙四周均采用固端约束来模拟。计算模型详见图1。在计算模型中未考虑止推环环周36块加劲板对止推环整体刚度提升的影响，将其作为安全储备。

图1　整体模型图

3.2应力结果

压力钢管和止推环的几种类型应力极值结果见表1，按规范[10]评判准则，可以确定在内水压力作用下，压力钢管结构和止推环结构应力的应力满足要求。

表1　压力钢管及止推环应力结果表　/MPa

4环后钢筋混凝土的配筋分析

止推环位于厂房上游墙内，根据厂家提供的资料，正常运行时所受的水推力为16 526.8 kN，机组甩负荷时所受的水推力为23 738.5 kN，在如此大的荷载作用下，初步推断止推环下游侧的混凝土结构应力状态可能会有问题。为了了解止推环附近混凝土结构的应力，采用三维模型对止推环后混凝土结构进行三维有限元计算。环后混凝土在甩负荷工况下的应力分布见表2。

表2　环后混凝土应力结果表　/MPa

从应力计算结果可以看出，在机组甩负荷工况下，止推环后混凝土应力分布有两大特点：一是最大拉应力出现在与止推环外缘相交处的混凝土附近；二是最大压应力(σx与σy)出现在止推环下部墙下游侧的中上部。且上述两部分均有较明显的应力集中现象。从最为关注的环后混凝土Z向应力分布情况来看，止推环下游面混凝土压应力范围为2.1～13.1 MPa，止推环外围混凝土拉应力最高已经达到19.8 MPa，其他3个方向的最大拉应力也已达到8 MPa左右。后续设计应针对止推环下游侧混凝土做专门的配筋计算。从上述2个较为极端的混凝土应力分布范围来看，与中国规范[10]规定的C25混凝土抗压强度与抗拉强度设计值分别为11.9 MPa和1.27 MPa相比，混凝土抗压强度略有超标，抗拉强度超标较多。

考虑到计算中未计及环周加劲板对止推环刚度的巨大加强作用，同时忽略了钢管与混凝土接触面的摩擦等利好限制作用，从而导致环后混凝土应力集中较为明显，后续设计应针对止推环下游侧混凝土作专门的配筋计算，本次计算成果仅供参考。

5结语

(1) 在巨大的蜗壳不平衡水推力作用下，止推环最大Von Mises应力、止推环下游压力钢管整体膜应力以及局部膜应力加弯曲应力值均分别小于各自对应的允许值。

(2) 从止推环环后混凝土应力分布整体来看：最大拉应力出现在与止推环外缘相交处的混凝土附近，最大压应力出现在止推环与压力钢管相交处下游侧的混凝土附近，混凝土抗压强度略有超标，抗拉强度超标较多，在后续设计中应结合上游墙整体应力分析作专门的配筋计算。

参考文献:

[1]聂金育,伍鹤皋.管道过缝结构对垫层蜗壳的影响研究[J].水力发电学报,2012,31(2):192-197.

[2]任小亮,葛瑶,孙斌.伊泰兹水电站引水洞施工支洞堵头稳定性分析[J].山西建筑,2014,(25)：248-249.

[3]赵冰华.水电站引水隧洞衬砌结构三维有限元分析[J].科学技术与工程,2014,(31)：303-307.

[4]张运良.水轮机蜗壳不同埋设方式的流道结构刚强度分析[J].水利学报,2006,37(10):1206-1211.

[5]伍鹤皋.大型水电站垫层蜗壳结构仿真分析[J].水力发电学报,2007,26(2):32-36.

[6]张启灵,伍鹤皋.水电站垫层蜗壳结构研究和应用的现状和发展[J].水利学报,2012,43(7):869-876.

[7]吴海林,伍鹤皋,张伟,等.水电站厂坝联结形式与取消伸缩节研究[J].水力发电学报,2006,25( 2) :118-122.

[8]伍鹤皋,马善定,秦继章.大型水电站蜗壳结构设计理论与工程实践[M].北京：科学出版社,2009.

[9]李权.ANSYS在土木工程中的应用[M].北京：人民邮电出版社,2005.

[10]DL/T5057-2009,水工混凝土结构设计规范[S].北京：中国电力出版社,2009.

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

中图分类号：TV312

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.009

作者简介：王红强(1983- )，男，陕西省宝鸡市人，工程师，从事水利水电工程水工专业设计工作.

收稿日期：2015-06-09

文章编号：1006—2610(2016)01—0037—02