绩溪抽水蓄能电站蜗壳外围混凝土结构有限元分析设计研究

王锦锋，孙金辉，陈 鹏

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 问题的提出

蜗壳外围混凝土结构作为抽水蓄能电站厂房的核心结构，直接承受水力荷载、机组及上部结构下传的荷载，与常规电站相比，抽水蓄能电站具有机组水头高、容量大、安装高程低、转速高以及双向运行等特点。同时由于水头高、蜗壳承受的内水压力大，故均采用钢蜗壳。蜗壳外围混凝土结构作为厂房上部结构的基础，应合理设计以满足结构受力和机组运行稳定的要求。本文针对绩溪抽水蓄能电站的特点，对其蜗壳外围混凝土结构进行有限元结构分析，同时对其设计要点做简要介绍，以期对同类电站的蜗壳外围混凝土结构设计提供有益参考。

2 结构布置

安徽绩溪抽水蓄能电站总装机1 800 MW（6×300 MW），安装6台单机容量为300 MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮发动机组。发电机机额定转速为500 r/min，飞逸转速为725 r/min；水轮机转轮拆卸方式为上拆，固定导叶和活动导叶数为16个，转轮叶片数为10个（5个长叶片和5个短叶片），水轮机钢蜗壳各管节厚度25 ～ 56 mm，机坑里衬厚度12 mm，尾水管里衬厚度为24 mm。

蜗壳外围混凝土结构设计最大尺寸约为17.10 m×15.10 m×8.20 m（长×宽×高），上游左侧采用圆形转角设计，半径为6.80 m，结构平面最小厚度约2.00 m，采用垂直进厂方式。蜗壳外围混凝土结构分2期设计，一期结构下游侧紧靠围岩布置，以提高其结构刚度。一期混凝土结构上游左侧设尾水管进人廊道，二期混凝土结构直径为5.70 m和7.30 m，具体结构见图1 ～ 2。

图1 混凝土结构横剖面图 单位：mm

图2 混凝土结构平面图 单位：mm

3 蜗壳外围混凝土结构有限元分析

3.1 有限元模型

为更真实地模拟蜗壳外围混凝土结构边界条件，以中间标准机组段为对象建立厂房整体有限元模型，机组段长度为22.50 m，宽度为24.30 m。模型高度上考虑发电机层楼板顶部至尾水管结构底部高程，总高度为29.00 m。为模拟厂房围岩对整体结构的影响，在尾水管混凝土结构底部以下建立5.00 m范围的岩石。在计算范围内，对厂房各部位结构均按实际尺寸进行模拟。模型上游、下游与围岩连接的边界节点加法向的弹性链杆以模拟围岩的约束作用，弹性链杆的刚度与围岩的单位抗力系数成正比；机组段之间设有永久分缝，因此模型两侧混凝土边界按自由面考虑。计算模型中围岩各边界施加法向约束，底部施加全约束。根据李胜军等人[1]的研究成果，采用蜗壳和混凝土共节点的简化算法。厂房混凝土结构整体模型及蜗壳座环模型见图3 ～ 5。

NB/T 35011 — 2013《水电站厂房设计规范》[2]建议蜗壳充水加压的压力控制在机组最大静水头的0.5 ～ 1.0倍。为保证在最小水头运行时外围混凝土结构与钢蜗壳仍可紧密接触，以保证整体结构具有较高的刚度，减小结构振动，充水保压值不宜过高[3-4]。绩溪电站蜗壳最大设计内水压力为10.00 MPa（包括水击压力），最大静水压力7.30 MPa，故取保压值3.65 MPa和5.00 MPa进行分析。

图5 钢蜗壳及座环网格图

图3 整体模型网格图

图4 厂房混凝土结构网格图

3.2 材料参数

绩溪抽水蓄能电站地下厂房蜗壳外围混凝土结构主要采用C30混凝土（座环和蜗壳支墩基础采用C60非收缩混凝土，为简化计算，模型中均按C30考虑）。根据地质勘测资料可知，围岩为III类围岩，围岩单位弹性抗力系数取70 MPa/cm。各类材料物理力学参数见表1。

表 1 材料参数表

3.3 计算工况

蜗壳外围混凝土结构计算分析考虑实际运行时的外部荷载及边界条件。联合承载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）。第二步减去第一步的计算结果，代表单纯蜗壳内水压力作用的结果，用以分析机组运行时定子基础、下机架基础等部位的位移变化及对机组运行的影响。主要计算的承载能力极限工况见表2（计算中不考虑温度作用）。

表2 蜗壳有限元计算工况表

3.4 有限元计算结果分析

根据有限元计算结果，将蜗壳外围混凝土结构分为10个典型子午断面（见图6 ～ 7），整理钢蜗壳外围混凝土的应力和位移成果。正常运行工况下，A1 ～ A4方案蜗壳外围混凝土的应力分布相似，从计算结果可以看出，蜗壳外围混凝土的应力分布相对比较均匀。由于钢蜗壳与外围混凝土联合承受的水压力较高，各断面的环向应力和蜗向应力以受拉为主。直管段1#、2#、3#、4#断面由于管径相对较大，环向应力相较于其他断面要大。随着钢蜗壳和混凝土联合承受水头的增加，混凝土拉应力也随之增大。A2方案联合承载的水压力最大，为6.35 MPa，该方案下各断面环向最大拉应力值为6.16 MPa，出现在5#断面顶部内缘点。环向应力以受拉为主，各方案应力数值均不大（见图8）。

机组检修工况下（A5），蜗壳外围混凝土拉应力水平较小，整体上未出现超过混凝土抗拉强度标准值的拉应力，混凝土拉压应力均未超设计强度。

各工况部分典型断面特征点应力见表3。

图6 典型断面位置图

图7 混凝土特征点位置图

图8 A2工况各断面环向应力图 单位：MPa

表3 部分典型断面特征点应力表 MPa

在正常运行工况下，A3、A1、A4、A2四个方案，钢蜗壳和混凝土联合承载的内水压力分别为2.30，3.65，5.00，6.35 MPa，依次增大。计算结果显示，随着联合承载内水压力的不断增大，蜗壳外围混凝土开裂范围呈增大趋势。A3方案联合承载内水压力最小，蜗壳外围混凝土基本没有出现开裂区，A1、A2、A4方案蜗壳外围混凝土开裂范围较大，开裂区集中在钢蜗壳一定范围的外包混凝土、上下座环附近混凝土、尾水锥管附近混凝土。检修工况下，蜗壳外围混凝土未超过混凝土抗拉强度的范围。图9 ～ 10为正常运行工况A2和检修工况A5超过混凝土抗拉强度范围图，未出现贯穿性开裂，从裂缝控制角度而言，说明蜗壳外包混凝土厚度足够，设计是合理的。

图9 A2方案蜗壳外围混凝土最大主应力超过抗拉强度标准值的范围图

图10 A5方案蜗壳外围混凝土最大主应力超过抗拉强度标准值的范围图

根据线弹性计算的蜗壳外围混凝土应力结果，整理典型断面配筋截面上的合力T，然后依据DL/T 5057 — 2009《水工混凝土结构设计规范》[5]附录D中的拉应力图形法进行配筋。经计算，直管段最大配筋截面面积17 928 mm2/m，直管段之后的最大配筋截面面积8 820 mm2/m。蜗线方向根据构造要求配置钢筋即可。参考仙居、洪屏等类似抽水蓄能电站蜗壳外围混凝土结构配筋方案，最终确定配筋方案。环向：自进口段至蜗壳180°断面，3排Φ32@200 mm，外侧配置2排Φ28@200 mm；蜗壳180°断面以后内侧配置1排Φ32@200 mm和2排Φ28@200 mm，外侧配置2排Φ28@200 mm。水流向：内侧配置3排Φ22，外侧配置2排Φ25@200 mm（水平向）。径向：配置Φ16@400 mm×400 mm的构造分布筋。

4 座环和蜗壳支墩结构

绩溪抽水蓄能电站于机组安装高程以下1.80 m处设置施工缝，其上设置环形座环支墩以及16个蜗壳支墩（离散式支座）。同时，为确保施工缝层间混凝土结合良好，于施工缝面设置键槽，键槽深度200 ～ 300 mm。座环支墩和蜗壳支墩作为直接承受水轮机机组和蜗壳荷载的结构基础，为确保基础结构具备较高的强度及抗裂性，采用非收缩C60混凝土。同时，为保证蜗壳底部和阴角部位混凝土浇筑密实，确保蜗壳和外围混凝土能够有效地联合承载，避免因空腔而产生应力集中，利用预埋灌浆管进行回填灌浆，布置见图11。

图11 支墩结构和回填灌浆典型示意图

5 结 语

抽水蓄能电站蜗壳外围混凝土结构复杂，是整个电站厂房结构设计的重点和难点，合理的设计对电站的使用安全起着至关重要的作用。本文基于绩溪抽水蓄能电站实际情况，简要介绍混凝土结构布置、有限元计算分析、座环支墩和蜗壳支墩结构以及回填灌浆等设计要点，对同类工程具有一定参考意义。