新疆盖孜水电站蜗壳与大体积混凝土联合受力分析及结构配筋设计

钱军刚

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

水电站厂房中，蜗壳作为水下部分的核心结构，其相关结构计算关乎整个工程的正常运行。对于中高水头情况下，蜗壳的结构形式包括三种：弹性垫层蜗壳、充水保压蜗壳及完全联合承载蜗壳[1]。相比于弹性垫层蜗壳，充水保压蜗壳可显著降低钢材用量，同时更有利于减轻机组及蜗壳震动。相比于完全联合承载蜗壳，充水保压蜗壳可充分发挥蜗壳的承压能力，避免了蜗壳外围混凝土在运行水压力作用下而产生的贯穿裂缝，同时可减少外围混凝土的配筋[2]。鉴于充水保压蜗壳的相对显著优势，近年来，充水保压蜗壳在国内外各大中型水电站工程中广泛应用[3～5]。充水保压蜗壳设计中，保压值的选取较为重要。过低的保压值无法保证钢蜗壳完全发挥其抗拉性能，致使外围混凝土承担内水压力增大，进而使混凝土配筋增大，不利于经济效益；保压值过大，在低水头运行工况下，蜗壳与外围混凝土间存在间隙，在机组抗震方面存在问题。因此，采用有限元法计算蜗壳合理充水保压值显得尤为重要。在蜗壳有限元计算方面，目前大多数有蜗壳限元计算模型都进行了简化，并未细致模拟各个部件，同时大都做定性分析，对应力、位移等分布规律具有一定的意义。然而，更为精细的数值计算及定量的模拟分析在工程设计中具有重要地位。

本文依托于新疆盖孜水电站，采用精细化建模技术，细致地模拟了蜗壳进水段、舌板、本体各节、座环、固定导叶、支架、打压闷头等金属结构部件，以及机墩、蜗壳外包混凝土、蜗壳支架固定混凝土、尾水管外围混凝土、开孔等构件和部位。力求数值模拟模型与工程实际相符合，以使得计算成果对设计和施工具有实际的参考价值。继而运用数值模拟软件，对蜗壳充水保压值进行了计算分析，根据有限元计算结果进而指导外围混凝土配筋计算。研究成果为相关工程提供了借鉴。

1 工程概况

盖孜水电站工程是盖孜河中游河段水电规划中推荐的“一库五级”开发的第二个梯级，它位于盖孜河布仑口—公格尔水电站工程下游，电站首部衔接布仑口—公格尔水电站尾水。电站发电额定水头347m，装机容量116MW，工程等别为Ⅲ等，属中型工程。

水电站发电厂房由主厂房部分、副厂房部分及尾水建筑物部分组成，主厂房长62.95m(其中安装间长20.55m)、宽19.30m；机组安装高程2244.73m，机组间距12.80m。主厂房内布置3台38.7MW混流式水轮发电机组。

2 蜗壳结构型式的选择

盖孜水电站水头为346.33～373.77m，在该水头段可供选择的水轮机型式有混流式与水斗式两

图1 有限元模型示意图

种。通过对机组性能、经济及运行稳定性等综合比较，确定采用混流式水轮机组，额定水头347m。

根据《水电站厂房规范》，蜗壳的型式可根据作用水头大小选用金属蜗壳或钢筋混凝土蜗壳。当最大水头在40m以上时宜采用金属蜗壳，若采用钢筋混凝土蜗壳，则应进行技术经济论证[6]。因此，该工程蜗壳形式采取金属蜗壳。

根据文献[7]可知，一般情况下，蜗壳打压顺序有的两种:①蜗壳先打压，然后再浇筑混凝土；②先浇筑蜗壳下半部分混凝土，再蜗壳打压，然后再浇筑上部混凝土。打压形式采取第一种较优，因此本文采取先打压后浇混凝土的顺序进行蜗壳打压。

3 有限元计算分析

3.1 有限元数值模型

运用有限元软件，采用精细化建模技术，建立三维数值计算模型，三维数值模型如图1所示。数值模型共计110524个单元，其中，蜗壳进水段、舌板、本体各节采用壳单元，座环、固定导叶、混凝土和砌体结构采用实体单元，绝大多数壳单元为四边形，绝大多数实体单元为六面体。

充水保压蜗壳的显著特点是蜗壳与外包混凝土之间的缝隙会依工况变化而出现开合，存在摩擦接触关系，为保证模拟计算精确性，采用Coulomb摩擦模型进行计算，采用罚函数法进行接触迭代判断。干燥状态下混凝土和钢材之间的摩擦系数为0.6～0.7，由于蜗壳外表面处理较为光滑，故本项文中取0.6。由于配筋方案未定，模型中未模拟蜗壳外围的钢筋。因外围厚重的大体积钢筋混凝土应变较小，混凝土与钢筋应变量接近，通过混凝土应力算得内力，用于配筋设计。模型主要材料的力学参数见表1。

表1 主要材料的力学参数

3.2 充水保压值方案拟定

金属蜗壳钢衬一般按全水头设计，保压值的选取关系到工程投资和影响机组运行时的稳定性。参照国内几个电站的保压值的取值情况，大多在静水头的80%以上，如广州抽水畜能二期工程的保压值为静水头的83%，柳洪水电站保压值为静水头的84%，天荒坪电站保压值取静水头的80%。

盖孜水电站初步选取保压值取静水头的80%、85%、90%三个方案，分别对应蜗壳充水保压值3.0、3.2、3.4MPa，分别采用三维有限元方法对控制工况下蜗壳外围混凝土的应力状态、变形规律等进行分析。通过控制工况下的初步计算成果，选定蜗壳充水保压值。

3.3 不同充水保压值计算结果分析

图2 剖面位置示意图

通过对蜗壳充水保压值3.0、3.2、3.4MPa(均先假定采用先打压后浇筑的方式)在电站3.4、3.7、4.5MPa水头运行时(低水头运行346.33、高水头运行373.77m和承受水锤压力448.8m)的结构受力和接触状态的影响分析，选取推荐的蜗壳充水保压值。拟定蜗壳典型剖面位置，如图2所示。

提取三维有限元计算结果，对特征剖面处力学特性进行分析，进而反应出不同工况的优劣性。

图3给出了在不同打压工况下，内水压力在4.5MPa(对应448.8m水头)时I-I剖面大于1MPa拉应力分布情况。

表2 给出了不同保压工况下不同剖面处的有限元计算结果。

表2 4.5MPa运行时外围混凝土拉应力对比 单位：MPa

注：表中应力负值为压应力，位移为负值指向上游。

根据图3及变2可知，蜗壳采取3.0、3.2、3.4MPa压力值打压，3种工况在运行期蜗壳内水压力达到在4.5MPa(对应448.8m水头)时，外包混凝土的拉应力最大。3种工况外包混凝土的应力分布规律基本相同：主拉应力沿蜗壳环向，拉应力超过1MPa的区域仅见于与蜗壳顶、底接触的浅层区域，外包混凝土内不会产生大范围受力破坏区，不会发生由内贯穿至混凝土结构表面的开裂。浇筑混凝土时蜗壳保压值越低，则混凝土在运行期分担的内水压力越多，混凝土中拉应力越大(见表2)，对应的配筋量越大。

表3给出了4.5MPa内压运行时不同保压工况下蜗壳I-I剖面MISES应力与位移的有限元计算结果。

通过表3给出的数值模拟计算结果可以看出，提取浇筑混凝土时蜗壳保压值越低，则运行期混凝土在分担的内水压力越多，蜗壳承担内水压力越少，其应力和变形也越小。

在蜗壳与外包混凝土的接触的紧密程度方面，根据有限元计算结果可知：3.4、3.2、3.0MPa三种打压工况均能保证蜗壳与混凝土之间绝大多数部位贴合，3.4MPa打压工况蜗壳与混凝土之间脱开的部位最多，3.0MPa打压工况脱开得最少。

鉴于以上计算结果，分析对比充水保压值为3.0、3.2、3.4MPa的影响可知：浇筑外包混凝土

图3 不同打压工况下混凝土I-I剖面大于1MPa拉应力图

表3 4.5MPa内压运行时蜗壳I-I剖面MISES应力与位移对比

注：Mises应力(单位:MPa)/位移对比(单位:mm)。

图4 有限元模型示意图

时的蜗壳保压值越低，在运行期，外包混凝土分担的内水压力越多、蜗壳应力越小、蜗壳与混凝土贴合越紧密。通过混凝土应力、蜗壳应力及二者的接触状况综合考虑，推荐充水保压值取3.0MPa或3.2MPa，不主张保压值取3.4MPa。

4 蜗壳外围混凝土配筋计算

4.1 计算边界条件

结合有限元计算分析成果，外围混凝土配筋计算边界条件为：①采用先蜗壳打压，再浇筑蜗壳外包混凝土，上、下部混凝土同时浇筑；②采用3.2MPa充水保压值。充水保压值3.2MPa工况，运行期内水压力3.7MPa时，蜗壳钢衬承担内水压力的比例为83.2%，外围混凝土的承载比为16.8%；③外包混凝土受力钢筋应沿蜗壳和进水段的环向配置。在蜗壳内水压力作用下，外包混凝土内不会产生大范围破坏，不会发生贯穿性开裂。

4.2 结构计算及配筋

按照以上边界条件的确定，采用结构力学的方式进行结构计算及配筋计算，分别进行正常运行(内水压力包括水锤压力)及蜗壳放空两种工况计算。选取蜗壳0°、90°单宽1m、采用“┓”形框架并考虑剪切变形影响进行结构计算，计算中不考虑温度应力的影响，混凝土的承载比按16.8%考虑。通过结构计算，采用构造配筋即可满足承载能力极限状态计算及正常使用极限状态验算要求，如图4所示。

盖孜蜗壳外围混凝土结构厚度较大，受边界温度及浇筑过程等影响，温度荷载及温度应力计算复杂。参照二滩水电站蜗壳联合承载结构设计方法，温度应力可以采用不计算温度应力，按计算所需的配筋量再增加一定比例的温度筋的方式进行结构配筋。通过有限元计算分析，在蜗壳内水压力作用下，外包混凝土内不会产生大范围破坏，不会发生贯穿性开裂。盖孜蜗壳在最大水头情况下机组甩负荷的工况HD值为538，与广蓄电站蜗壳较为相似。盖孜蜗壳配筋方案为：沿蜗壳环向配置双层钢筋25@150，考虑施工方便，钢筋间距定为250mm。沿水流流道方向配置分布钢筋20@200。

图5 蜗壳剖面配筋示意图

5 结语

盖孜水电站属高水头电站，钢衬钢筋混凝土联合承载蜗壳结构设计的选择关系到工程的安全性和经济性，通过有限元分析计算，确定蜗壳外包混凝土的浇筑方式为先打压后浇筑的方式。浇筑时采用预压320m水头，占甩负荷工况71%较为适宜。采用双层配筋的方式并考虑方便施工的因素限制外围混凝土产生较大的裂缝。盖孜电站已投产运行，运行正常，对今后下游相似水头的电站的设计具有较好的参考价值。