固增水电站垫层蜗壳有限元一体化计算分析

张正香，王雪，蒋裕飞

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072；2.中国水利水电第七工程局有限公司，成都 610213）

1 工程概况

固增水电站是木里河干流水电规划推荐的“一库六级”开发方案的第5 个梯级电站，采用引水式开发方式。电站正常蓄水位2 215.00 m，总库容4.84×105m3。电站厂房为岸边式地面厂房，厂房建筑物主要由主厂房、开关站和尾水渠组成，厂房内设有4 台机组，单机43 MW，总装机172 MW。机组安装高程2 081.80 m，机组间距13 m。蜗壳采用垫层蜗壳[1]，垫层厚度为20 mm，蜗壳进口最大直径为3.1 m，蜗壳外缘最大尺寸为4.548 m。最大工作水头129 m，最小工作水头105.4 m，额定水头106 m。

2 有限元一体化

2.1 计算方法

对垫层蜗壳结构进行静力分析时，在将钢衬和混凝土之间、钢衬与垫层之间假定为完全黏结的前提下，可采用共结点模型进行计算，求解方法简单方便。

2.2 计算模型及材料参数

水电站厂房蜗壳结构有限元设计分析一体化程序，主要包含CATIA 界面插件和Abaqus 自动化程序2 部分。选取2#机组段作为典型进行蜗壳结构有限元计算，并确定2#机组段蜗壳关键部位的受力情况。其他机组段受力参照2#机组段。

三维有限元计算模型包括机墩风罩、蜗壳外部混凝土、座环、钢蜗壳，全部按照设计尺寸建模。对于钢衬，实际采取的网格是四边形与三角形混合。其中，四边形的类型采用S3R单元，三角形将默认采用S3R 单元；混凝土、座环采用C3D4单元。同时，钢衬单元与混凝土单元网格尺寸相当。整体结构模型的单元总数为33 137 个，节点总数为8 586 个。垫层参数通过垫层程序设置界面进行设置，各部件材料力学参数见表1。

表1 各部件材料力学材料参数

2.3 计算工况

计算一般选取额定运行工况、甩负荷工况、蜗壳放空工况进行蜗壳有限元计算分析，根据电站的实际运行工况，甩负荷工况下蜗壳、座环及外围混凝土受到的影响最大。因此，将机组甩负荷作为垫层蜗壳-混凝土有限元一体化分析的控制工况。该工况下蜗壳的最大内水压力为1.74 MPa。

2.4 荷载及边界条件

计算荷载主要包括结构自重、楼面活荷载、机组设备荷载和蜗壳内水压力：（1）结构自重、楼面活荷载相同，程序根据参数输入自行加载计算；（2）发电机和水轮机层楼面均布活荷载分别为20 kN/m2、10 kN/m2；（3）甩负荷工况承受内水压应力为1.74 MPa。

根据实际模型，模型底面取固定约束，上游面、下游面及左侧面取法相约束，右侧面及顶部取为自由面。

3 计算结果分析

根据计算结果，整理了甩负荷工况下钢蜗壳和外围混凝土典型断面的环向应力和水流向的应力成果，其中拉应力为正、压应力为负。由于靠近鼻端的进口断面形状极不规则，水流进入蜗壳内较为紊乱，易造成应力集中现象，因而可选取1#、2#截面；由于蜗壳鼻端断面尺寸最小、流速大，受力集中且比较大，故选取8#、9#断面等进行分析。

3.1 蜗壳外围混凝土应力分析

根据蜗壳及外围混凝土结构有限元计算结果可知，在甩负荷工况下，部分蜗壳外围混凝土典型断面特征点应力成果见表2。蜗壳进口及蜗壳下部甩负荷工况主应力分布分别见图1、图2。

图1 蜗壳进口甩负荷工况主应力分布

图2 蜗壳下部甩负荷工况主应力分布

表2 蜗壳外围混凝土典型断面特征点应力

从甩负荷工况下蜗壳外围混凝土应力云图及典型断面特征点应力成果可以看出：

1）蜗壳外围混凝土环向应力大部分为拉应力，大部分区域沿径向远离蜗壳的点拉应力逐渐减小。蜗壳外围混凝土大部分区域水流向应力小于环向应力，局部位置的水流向应力为压应力。

2）甩负荷工况下，蜗壳和外围混凝土共同承担1.74 MPa的内水压力；此外，甩负荷工况下的混凝土的拉应力区域面积及特征点拉应力最大。

3）由图1、图2 可知，当甩负荷工况、额定运行工况及蜗壳放空工况时，蜗壳周围混凝土绝大部分区域拉应力都没有超过C25 混凝土的设计抗拉强度。

4）额定运行、甩负荷及蜗壳放空3 种工况下直管段腰线下-90°～-45°部位及座环顶部和底部拉应力均较大，属配筋关键部位。

5）由图1、图2 可以看出，在弹性层铺设范围内，蜗壳外围混凝土应力得到明显改善，远小于未铺设软弹性层管节处外围混凝土的应力，这说明弹性层的设置对改善混凝土的应力状况作用明显。

3.2 配筋方案

根据蜗壳结构在额定运行、甩负荷及蜗壳放空3 种工况下的计算结果可知，蜗壳外围混凝土在甩负荷工况下应力值最大。对此，可选取甩负荷工况为最不利工况计算蜗壳外围混凝土的配筋。

根据结构配筋计算方法，整理了直管段1#、2#，弯曲段8#、9#4 个代表性断面特征部位上所需的配筋面积，经开裂验算修正蜗壳外围混凝土各代表性断面配筋面积见表3。

表3 蜗壳外围混凝土各代表性断面配筋面积

4 结语

水电站垫层蜗壳及外围混凝土受力特性极为复杂。本文结合在建的固增水电站，运用蜗壳一体化程序进行了蜗壳及外围混凝土的数值仿真计算，确定了主电站厂房蜗壳结构应力状态及配筋参数，保证了蜗壳结构安全。同时，采用一体化程序简单快捷且提高了计算效率。