巴塘水电站蜗壳结构型式受力特性对比研究

刘兴华，黄 鹏

（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；2.国家水能风能研究中心西北分中心，西安 710065）

蜗壳作为水轮发电机组的重要组成部分，其结构安全直接影响机组的稳定安全运行［1］。中高水头水电站混流式水轮机蜗壳结构型式主要有3种：充水保压蜗壳、钢蜗壳、直埋蜗壳［2-4］。

巴塘水电站蜗壳承受的内水压力不高，但其尺寸较大。本文根据巴塘水电站蜗壳结构自身及其外围钢筋混凝土结构形式，通过三维有限元数值模拟方法，对比分析不同厚度垫层蜗壳方案及直埋蜗壳方案的受力特性，确定蜗壳埋设方式。

1 模型和边界条件

1.1 模型

巴塘水电站为地面厂房，总装机750MW，单台机容量250MW。蜗壳进口段直径9.87m，蜗壳最大设计内水压力0.92MPa，HD值为908m2。本文以厂房中间机组段为研究对象，建立三维有限元模型，上游取至主副厂房分缝处，下游取至尾水管出口处，高度上从尾水管底板开挖高程至排架顶部高程。机组段长29.5m，宽54.4m，总高度为71.5m。在厂房基础以下取110.0m范围的岩石，基岩在厂房上、下游各延伸110.0m。

计算采用大型有限元分析软件Ansys。通过三维有限元的方法计算。各部位模拟单元方式如表1。整个计算模型共255389个结点，492878个单元。整体数值分析模型和混凝土网格如图1～图2，蜗壳和垫层网格如图3～图4。

图1 整体模型网格

图2 混凝土网格

图3 蜗壳网格

图4 垫层网格

1.2 材料参数

1.2.1 混凝土

厂房一二期混凝土均采用C25混凝土，弹性模量2.80万MPa，容重25kN/m3，泊松比0.167。

1.2.2 蜗壳和座环钢板

弹性模量2.06×105MPa，容重78.5kN/m3，泊松比0.3。

1.2.3 垫层

垫层厚度20mm，容重3.0kN/m3，泊松比0.01；垫层蜗向布置范围从蜗壳上游止推环位置的直管段到蜗向272.3°；子午向布置范围为混凝土与钢板相交处起24°为垫层起始点，末端取腰线位置。

1.3 计算方案

为研究不同垫层弹模对蜗壳结构及外围混凝土受力特性的影响，选定垫层包角及平面铺设范围，垫层厚度不变，垫层弹性模量设为2MPa（即传力系数比100MPa/cm），计算方案以DC-1表示；垫层弹性模量设为1.0MPa（即传力系数比50MPa/cm），计算方案以DC-2表示。同时，计算直埋蜗壳与垫层蜗壳结构进行对比，计算方案以ZM表示。通过对蜗壳外围混凝土应力及位移、混凝土承载比、钢蜗壳及座环应力、蜗壳外围混凝土配筋结果等进行对比分析，最后选择最优的垫层参数。

1.4 计算荷载

蜗壳结构计算主要考虑了结构自重、内水压力、水轮机层活荷载及机墩传来荷载的作用。本文按持久状况下基本荷载组合进行计算对比分析。

计算分析步骤根据厂房施工、安装、运行等条件，首先施加施工完建期厂房结构承受的荷载，主要包括钢蜗壳、机组设备和混凝土等结构自重及各楼板活荷载；然后施加电站运行期除蜗壳内水压力外的其他水压力荷载；最后施加电站运行期蜗壳内水压力。计算电站运行期蜗壳外包混凝土承担内水压力比例采用蜗壳只承担内水压力作用的结果。

表2 蜗壳作用及作用组合

2 蜗壳外围混凝土受力特性

2.1 蜗壳外围混凝土应力

分别对3种蜗壳方案下6个典型子午断面的环向应力和水流向方向的应力进行计算，典型断面和特征点位置如图5和图6，由于篇幅有限，本文仅选取3个断面各特征点的应力列于表3。

表3 典型断面特征点环向和水流向应力值 单位：MPa

图5 蜗壳断面示意图

图6 混凝土特征点示意图

从各断面特征点应力表可看出：

（1）各计算方案下蜗壳混凝土典型断面特征点的环向应力基本为拉应力，沿蜗壳径向远离流道的拉应力呈减小趋势。直埋方案：混凝土内圈节点拉应力比较大，基本都大于混凝土抗拉强度；垫层方案：铺设垫层的区域显然小于未铺设垫层的区域混凝土内圈结点拉应力，表明钢蜗壳铺设垫层后有利于改善蜗壳外围混凝土的受力情况。

（2）蜗壳混凝土的环向应力沿蜗向呈减小趋势，主要是由于蜗壳管径变小的同时外围混凝土厚度变大。蜗壳直管段混凝土的环向应力明显大于其他断面。

（3）针对不同的蜗壳典型断面，水流向的应力分布规律有所不同。直埋方案和垫层方案1#～6#断面水流向应力除了座环上、下部混凝土受压之外，其余部位的混凝土主要受拉，但拉应力的数值不大，直埋方案的拉应力值普遍大于垫层方案。对同一断面而言，设置垫层与否对水流向应力的影响不明显，即设有垫层的上半部混凝土水流向应力并不一定小于无垫层的下半部，甚至还略微大一些。

（4）蜗壳外围混凝土最大主应力达到C25设计抗拉强度的区域主要集中出现在蜗壳直管段未包垫层区域。随着垫层弹模的减小，垫层外围混凝土应力随之减小。

2.2 蜗壳外围混凝土承载比

3种蜗壳方案下6个典型断面钢蜗壳各特征点的环向应力，典型断面如图4，钢蜗壳各征点位置如图7，根据式（1）计算了蜗壳外围混凝土的承载比，各典型断面的蜗壳混凝土上下半周承载比如表4。

表4 典型断面混凝土承载比 单位：%

图7 蜗壳断面特征点位置

式中 δ为钢蜗壳厚度（mm）；r为钢蜗壳半径（mm）；σ0为钢蜗壳环向应力平均值（MPa）；p为钢蜗壳设计内水压力（含水击压力），本工程为0.92MPa。

从各方案计算断面承载比分析：

（1）ZM方案蜗壳上半周的环向应力高于下半周的，上半周的混凝土承载比在80%左右，下半周的混凝土承载比在90%左右，各断面整体承载比在85%左右。

（2）DC-1方案蜗壳1#～6#铺设垫层的管节，蜗壳上半周的环向应力明显高于下半周的，上半周的混凝土承载比在28%～43%，下半周的混凝土承载比在61%～70%，各断面的整体承载比在45%～56%。相较于ZM方案，DC-1方案各断面的混凝土承载比明显减小，显然铺设合理的垫层可减少外围混凝土承担内水压力比例，有利于外围混凝土结构设计。

（3）对于DC-2方案，垫层弹模由2.0MPa减小至1.0MPa。与DC-1方案相比，各断面的混凝土承载比进一步减小。上半周混凝土的承载比在18%～36%，下半周的混凝土承载比在51%～61%，各断面的整体承载比在34%～48%，分布规律与DC-1方案类似。

3 钢蜗壳受力特性

根据计算结果，整理了ZM、DC-1和DC-2方案下钢蜗壳的Mises应力，分别见图7～图9。从图中可看出：

图7 ZM方案蜗壳Mises应力云图 单位：MPa

图8 DC-1方案蜗壳Mises应力云图 单位：MPa

图9 DC-2方案蜗壳Mises应力云图 单位：MPa

（1）ZM方案中，在座环顶部混凝土较薄甚至无混凝土位置，蜗壳Mises应力较大，但不超过64MPa，其他位置的Mises应力一般不超过22MPa。

（2）DC-1方案中，铺设垫层部位的钢蜗壳应力较大，Mises应力一般不超过157MPa，而在未设垫层的下半周，钢蜗壳Mises应力数值较小，一般不超过54MPa。

（3）DC-2方案中，铺设垫层部位的钢蜗壳应力较大，Mises应力一般不超过180MPa，而在未设垫层的下半周，钢蜗壳Mises应力数值较小，一般不超过61MPa。

DC-1与DC-2方案相比，无论是蜗壳应力分布还是大小都比较接近，均能使蜗壳应力小于其允许应力；但DC-2方案蜗壳应力数值有小幅度的增加。

（4）各方案下，钢蜗壳的Mises应力均能满足材料强度要求，在蜗壳钢板与座环连接处、蜗壳外露部位的应力集中均比较明显，尤其是直埋方案下，外露部位的应力存在应力突变，蜗壳钢板整体结构受力不均匀。显然，在垫层方案下，不仅可发挥埋入混凝土内的蜗壳钢板承担内水压力的能力，还能使蜗壳整体结构的应力均匀。

4 结语

本文通过对直埋蜗壳及垫层蜗壳不同垫层弹模方案的计算比较，分析蜗壳外围混凝土应力、承载比及钢蜗壳应力得出如下结论：

（1）从蜗壳外围混凝土的受力状态来看，直埋方案蜗壳外围混凝土的环向和水流向应力均大于垫层方案，且大部分区域沿径向远离蜗壳的环向拉应力逐渐减小。垫层方案下，铺设垫层的区域显然小于未铺设垫层的区域混凝土内圈结点环向拉应力，说明设置垫层对于减小蜗壳外围混凝土拉应力是有利的。

（2）从蜗壳外围混凝土内水压力承载比来看，ZM方案蜗壳各断面承载比在85%左右，DC-1方案各断面承载比在45%～56%，DC-2方案各断面承载比在34%～48%，显然铺设合理的垫层可以减少外围混凝土承担内水压力比例，有利于外围混凝土结构设计。

（3）各方案下，钢蜗壳的Mises应力均能满足材料强度要求，在蜗壳钢板与座环连接处、蜗壳外露部位的应力集中均比较明显，尤其是直埋方案下，外露部位的应力存在应力突变，蜗壳钢板整体结构受力不均匀。显然，在垫层方案下，不仅可以发挥埋入混凝土内的蜗壳钢板承担内水压力的能力，还能使蜗壳整体结构的应力均匀。

（4）本文基于巴塘水电站工程实际情况，通过有限元计算分析，对不同蜗壳结构型式受力特性对比研究，对同类工程具有一定参考意义。