某水电站厂房大体积混凝土结构有限元计算

祝新星

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

尼泊尔某水电工程为引水式电站工程，位于尼泊尔那苏瓦地区。设计发电流量为80 m3/s，装机容量为110 MW。地下发电厂房洞室埋深约为320 m，厂内布置3台混流式水轮机机型机组，机组间距13 m。

在厂房结构分析中，过去分别将下部大体积混凝土结构包括底板、尾水管、尾水管扩散段、蜗壳、发电机机墩、风罩等结构作为单独构件，并简化成平面框架结构进行计算，忽略了不同的材料属性，结构间的相互作用和复杂边界条件等因素的影响。随着有限元计算的发展，有限元计算越来越多地用于厂房结构分析中。文中以尼泊尔某水电站工程的地下厂房下部结构为分析对象，结合有限元结构分析理论，应用有限元计算软件ANSYS，建立机组段三维有限模型，对其下部大体积混凝土结构进行分析。

1 计算模型

厂房机组间距13 m，跨度15 m，主机间纵向总长度45 m。

选取厂房主机间段进行建模计算。主机间底板四周基本均与岩石接触，除靠近安装间部位侧墙表面不施加约束外，底板其它侧面均施加法向约束。底板上部蜗壳机墩风罩通过板梁与上下游柱连接，柱与岩石接触施加法向约束。

2 计算参数及工况

2.1 基本计算参数

混凝土和岩体力学参数见下表1，混凝土的线性膨胀系数取为5.5×10-6℃-1，运行基准地震（OBE）水平加速度系数Kho=0.11g。金属蜗壳采用保压埋入法，金属蜗壳与外围混凝土之间不设垫层，蜗壳直接承受部分内水压力。根据水压实验，蜗壳外部混凝土承受20%的最小净水压力，超出最小静水压力部位的水压完全由蜗壳外围混凝土承担。考虑发电机运行期间风罩内外温度差，最大为40℃。外水压力取地下水位考虑。

表1 材料力学参数表

2.2 工况组合

厂房下部大体积结构计算，计入的主要荷载有结构及设备自重、设备传来荷载、活荷载、内外水压力、温度荷载、风荷载、地震荷载等[1,2]。该工程根据美国规范进行设计，其荷载系数、水力系数等参照相关规定[3,4]取值。

其中：Uh为水工结构设计荷载；D为恒载；L为活载；E为地震荷载；Hf为水力系数，水工结构物中取值1.30。

3 计算分析

结构计算采用SOLID185单元，通过切取截面的方式表示各部位各剖面应力分布情况。文中选取风罩、机墩、蜗壳及底板处最大应力工况进行分析，各部位应力分布如图1～图3所示。

图1 底板截面应力图σx（地震工况）

图2 蜗壳机墩风罩应力图σx（甩负荷工况）

图3 蜗壳机墩风罩应力图σx（正常运行工况）

1）由图1可知，底板以受压为主，仅在尾水管局部产生拉应力。地震工况下底板最大拉应力为0.6 MPa，主要位于锥管段。

2）由图2可知，由于金属蜗壳采用保压埋入法，外围混凝土承受部分内水压力。水轮机甩负荷时，外围混凝土承受的内水压力最大为3.7 MPa,此工况作为蜗壳外围混凝土控制工况。

混凝土外围混凝土拉应力在0.2D范围内较大，超过0.2D范围迅速减小。在结构突变处,如管边缘处以及蜗壳进口与末端交汇的鼻端发生明显的应力集中。管边缘处混凝土厚度较小，承受的拉应力较大，可在外围混凝土表面布置钢衬对其进行保护[5-7]。

3）在各种工况作用下，机墩部位各方向的拉应力均较小，各方向应力沿环向分布比较均匀,检修坑角点位置出现应力集中。

4）由图3可知，发电机风罩部位受温度荷载影响比较明显，正常运行工况和机组飞逸等考虑风罩内外温差的情况下风罩各方向应力相对较大。在风罩进人孔及风罩顶部均出现应力集中现象。

4 结论

文中以某水电站厂房工程为计算实例，采用通用有限元计算软件ANSYS，对厂房主机间部位大体积混凝土结构进行三维有限元静力分析计算。从计算结果的定性和定量分析来看，计算结果较为符合，通过上述分析可以得出以下几点：

1）机墩、底板部位混凝土结构受力相对较小，混凝土本身的抗拉强度基本就可满足抗拉要求，仅需根据温度和收缩构造要求配筋。

2）保压埋入法降低了蜗壳本身承担的内水压力，从而可以减小蜗壳钢板的厚度。但由于蜗壳外围混凝土与蜗壳联合受力，甩负荷工况下蜗壳外围混凝土承受较大内水压力。结构的拉应力主要集中在靠近蜗壳0.2D范围，需在此区域配筋予以加强。

3）发电机风罩在内外温差的作用下，局部区域存在较大的拉应力，为了控制裂缝的出现或裂缝宽度，应加强风罩的配筋。同时在机组运行时需做好发电机的通风工作。

4）结构开孔破坏了结构的整体性，开孔处产生应力集中，需对开孔位置加强配筋。

［参 考 文 献］

［1］NB/T 35011-2013水电站厂房设计规范［S］.

［2］SL 266-2014水电站厂房设计规范［S］.

［3］EM1110-2-2104StrengthDesignforReinforced-Concrete Hydraulic Structures［S］.

［4］ACI 318M-11 Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary［S］.

［5］秦继章，马善定.高水头抽水蓄能电站蜗壳结构配筋远离研究［J］.水力发电学报 2006，25（1）：30-33.

［6］李胜军，李振富.高水头抽水蓄能电站蜗壳混凝土与钢衬联合作用应力分析方法研究［J］.水利水电技术1998，29：30-33.

［7］陈颖豪，黄顺强.广蓄电站机组蜗壳与混凝土联合受力结构设计［J］.水力发电 1993（7）：30-33.