響水澗抽水蓄能電站地下廠房靜力特性分析

姚新剛，徐良華，高 煉，譚建梅

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

響水澗抽水蓄能電站地下廠房靜力特性分析

姚新剛，徐良華，高 煉，譚建梅

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

響水澗電站地下廠房結(jié)構(gòu)采用ANSYS大型通用軟件進(jìn)行三維有限元分析，通過整體模擬典型機(jī)組段混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)行多種組合工況下靜力計(jì)算，確定蝸殼保壓澆筑時(shí)的保壓壓力，分析廠房關(guān)鍵部位(尾水管外圍混凝土、蝸殼外圍混凝土、機(jī)墩、風(fēng)罩)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力特性，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為不規(guī)則結(jié)構(gòu)合理配筋設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

地下廠房；靜力計(jì)算；保壓壓力；響水澗抽水蓄能電站

響水澗抽水蓄能電站位于安徽省蕪湖市三山區(qū)峨橋鎮(zhèn)境內(nèi)，電站裝機(jī)容量為1 000 MW，是我國(guó)第一座主輔設(shè)備全面國(guó)產(chǎn)化的抽水蓄能電站[1].響水澗抽蓄廠房為地下廠房，共布置四臺(tái)機(jī)組，單機(jī)容量250 MW，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速250 r/min，機(jī)組中心距為28 m，機(jī)組間皆設(shè)結(jié)構(gòu)縫.最大水頭為217.4 m，額定水頭為190 m.蝸殼進(jìn)口直徑為3.456 m，蝸殼承受的最大內(nèi)水壓力為3.45 MPa，蝸殼外包混凝土采取充水保壓方式澆筑，這種充水保壓蝸殼在大中型水電站特別是抽水蓄能電站得到廣泛的應(yīng)用[2-6].為深入了解響水澗國(guó)產(chǎn)機(jī)組對(duì)廠房結(jié)構(gòu)受力的影響，合理確定蝸殼充水保壓壓力，為廠房主要受力結(jié)構(gòu)的布置及配筋提供設(shè)計(jì)依據(jù)，采用有限元方法，通過模擬該電站地下廠房典型機(jī)組段的混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)行靜力分析.

1 計(jì)算說明

選取典型機(jī)組段(長(zhǎng)×寬×高=28 m×25 m×55.7 m)進(jìn)行有限元分析，根據(jù)構(gòu)件的特征，選用塊體單元模擬混凝土結(jié)構(gòu)和圍巖，采用殼單元模擬蝸殼、尾水管鋼襯、座環(huán)和固定導(dǎo)葉.混凝土單元與鋼襯單元之間的網(wǎng)格不考慮滑移.計(jì)算模型底部及圍巖四周均采用法向約束，其他地方均為自由面.整個(gè)計(jì)算模型共148 028個(gè)結(jié)點(diǎn)，144 547個(gè)單元.

響水澗地下廠房橫剖面(見圖1)，相應(yīng)有限元網(wǎng)格模型(見圖2).

圖1 響水澗地下廠房橫剖面圖

圖2 地下廠房結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型

2 結(jié)構(gòu)靜力分析

對(duì)地下廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，主要從結(jié)構(gòu)受力方面來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并揭露結(jié)構(gòu)薄弱部位.靜力計(jì)算分別對(duì)尾水管、蝸殼外包混凝土、機(jī)墩、風(fēng)罩以及主要孔洞進(jìn)行了針對(duì)性的結(jié)構(gòu)分析.

(1)尾水管結(jié)構(gòu)分析

尾水管外圍混凝土承擔(dān)最大內(nèi)水壓力為1.05 MPa時(shí)，順?biāo)鞣较虻膽?yīng)力大部分為壓應(yīng)力，僅在直管段內(nèi)緣出現(xiàn)小于0.3 MPa的拉應(yīng)力；環(huán)向拉應(yīng)力最大值為1.46 MPa，發(fā)生在尾水肘管末端頂部?jī)?nèi)緣.由此可知，最大拉應(yīng)力超過了混凝土的單軸抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.27 MPa，但是絕大部分位置的混凝土應(yīng)力均在設(shè)計(jì)強(qiáng)度之下.總體而言，結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度上是安全的.

(2)蝸殼外包混凝土結(jié)構(gòu)分析

響水澗抽蓄地下廠房采用充水保壓澆筑的金屬蝸殼，蝸殼鋼襯與外圍混凝土聯(lián)合受力，計(jì)算時(shí)蝸殼外圍混凝土承受的內(nèi)水壓力扣除充水保壓壓力.為選取蝸殼合理的充水保壓值，計(jì)算以下幾種工況：工況B1,充水保壓1.37 MPa(40%最大內(nèi)水壓力)；工況B2，充水保壓1.73 MPa(50%最大內(nèi)水壓力)；工況B3，充水保壓2.00 MPa(60%最大內(nèi)水壓力).蝸殼在最大內(nèi)水壓力(3.45 MPa)作用下，其它部位荷載均按照甩負(fù)荷工況時(shí)相應(yīng)的荷載施加.

為便于成果統(tǒng)計(jì)，選取若干典型截面，具體位置(見圖3).圖4～圖7為2#、6#、8#、10#斷面在工況B1～B3時(shí)第一主應(yīng)力云圖.圖中，黃色區(qū)域表示第一主應(yīng)力介于軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27 MPa與軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.78 MPa的混凝土區(qū)域；紅色區(qū)域表示第一主應(yīng)力大于軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.78 MPa的混凝土區(qū)域.

圖3 蝸殼典型截面示意圖

圖4 2#斷面第1主應(yīng)力對(duì)照?qǐng)D(MPa)

圖5 6#斷面第1主應(yīng)力對(duì)照?qǐng)D(MPa)

圖6 8#斷面第1主應(yīng)力對(duì)照?qǐng)D(MPa)

圖7 10#斷面第1主應(yīng)力對(duì)照?qǐng)D(MPa)

由圖4～圖7可知：①蝸殼外圍混凝土應(yīng)力符合一般分布規(guī)律，即蝸殼斷面越小，應(yīng)力越?。蛔畲髴?yīng)力區(qū)域一般分布在座環(huán)上、下蝶邊和蝸殼斷面頂部區(qū)域以及蝸殼鼻端等位置.②蝸殼保壓值越大，蝸殼外圍混凝土第一主應(yīng)力就越小，大于1.27 MPa的混凝土區(qū)域也就越小.③對(duì)比2#斷面云圖，各工況蝸殼外圍混凝土第一主應(yīng)力大于設(shè)計(jì)值的區(qū)域，B1工況分布在蝸殼外圍厚度0.5 m范圍內(nèi)，而且在蝸殼鼻端處貫穿，B2工況僅分布在蝸殼頂部、底部以及蝸殼鼻端等位置，分布深度小于0.3 m.B3工況范圍很小，僅分布于蝸殼頂部和底部，深度不足0.15 m.④B3工況保壓值最大，蝸殼外圍混凝土環(huán)向拉應(yīng)力最小，結(jié)構(gòu)最安全，但是，保壓值過大容易使鋼蝸殼和外圍混凝土之間在運(yùn)行中留有縫隙，特別在工作水頭小于保壓值時(shí)，縫隙會(huì)更大，增加機(jī)組運(yùn)行的不穩(wěn)定性；而B1工況保壓值最小，蝸殼外圍混凝土環(huán)向拉應(yīng)力偏大，相應(yīng)的配筋量大，并且在運(yùn)行中蝸殼外圍混凝土容易產(chǎn)生大范圍的裂縫，從而影響結(jié)構(gòu)的耐久性.B2工況的情況介于B1工況和B3工況之間，保壓值適中，在機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性[7]和結(jié)構(gòu)耐久性方面都會(huì)有較好的表現(xiàn).綜合考慮，可選取B2工況保壓值(1.73 MPa)作為鋼蝸殼結(jié)構(gòu)的保壓值.

在上述蝸殼保壓壓力確定的基礎(chǔ)上，本文以最為常見的機(jī)組正常運(yùn)行工況進(jìn)行成果分析.即蝸殼在最大靜水壓力(2.74 MPa)作用下，不考慮鋼蝸殼和外圍混凝土之間的間隙[8]，其他部位的荷載按照機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)相應(yīng)的荷載施加.

計(jì)算結(jié)果表明：蝸殼外圍混凝土的頂部?jī)?nèi)緣的環(huán)向應(yīng)力范圍為0.56～1.16 MPa，腰部?jī)?nèi)緣的環(huán)向應(yīng)力范圍為-0.32～0.28 MPa，底部的環(huán)向應(yīng)力范圍為0.57～1.06 MPa；環(huán)向應(yīng)力最大值發(fā)生在進(jìn)口直管段的頂部?jī)?nèi)緣.水流向的拉應(yīng)力數(shù)值均較小，最大拉應(yīng)力為0.71 MPa，最大值發(fā)生在9#斷面(接力器坑斷面的底部外緣).

由此可見：正常運(yùn)行工況下，蝸殼外圍混凝土典型位置的各向拉應(yīng)力均未超過混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度上是安全的.

(3)機(jī)墩結(jié)構(gòu)分析

機(jī)墩豎向應(yīng)力均為壓應(yīng)力；環(huán)向應(yīng)力大部分區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力，最大值為0.95 MPa，出現(xiàn)在定子基礎(chǔ)斷面上.對(duì)機(jī)墩、風(fēng)罩等上部結(jié)構(gòu)剛度分析表明，上機(jī)架單個(gè)支撐基礎(chǔ)的最小剛度為3.5 MN/mm，下機(jī)架單個(gè)支撐基礎(chǔ)的剛度達(dá)9.6 MN/mm，整個(gè)上部結(jié)構(gòu)具有較大的剛度.

(4)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)分析

風(fēng)罩環(huán)向應(yīng)力大部分均為壓應(yīng)力；風(fēng)罩鉛直向應(yīng)力中下部分?jǐn)嗝嬷饕鞘軌海猩喜糠謹(jǐn)嗝媸莾?nèi)拉外壓，拉應(yīng)力值很小，主要是由發(fā)電機(jī)層樓板的荷載引起的.

(5)孔洞應(yīng)力分析

廠房尾水管、蝸殼及上部結(jié)構(gòu)中的孔洞較多，且部分孔洞的尺寸較大.計(jì)算成果表明，孔洞周邊的應(yīng)力絕大部分區(qū)域在混凝土單軸抗拉設(shè)計(jì)值以下，僅左側(cè)接力器坑和風(fēng)罩出線孔等局部應(yīng)力偏大，因而在采取孔洞周邊加強(qiáng)環(huán)向布筋等措施后，孔洞結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度上是可以滿足結(jié)構(gòu)要求的.

3 風(fēng)罩溫度應(yīng)力

機(jī)組運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的熱量使得風(fēng)罩內(nèi)空氣溫度升高，風(fēng)罩結(jié)構(gòu)內(nèi)外壁因此產(chǎn)生溫差.而風(fēng)罩為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，溫度變化在混凝土內(nèi)部所引起的溫度應(yīng)力對(duì)風(fēng)罩混凝土應(yīng)力影響很大.因此選取機(jī)墩、風(fēng)罩和部分樓層框架作為模擬對(duì)象，考慮風(fēng)罩結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差15 ℃和20 ℃、風(fēng)罩結(jié)構(gòu)均勻溫升和溫降15 ℃等4 種工況，進(jìn)行風(fēng)罩溫度應(yīng)力分析.計(jì)算表明：

(1)內(nèi)外溫差工況，風(fēng)罩中下部環(huán)向、豎向應(yīng)力為內(nèi)壓外拉.拉應(yīng)力最大值分別為5.56 MPa和4.53 MPa，發(fā)生在風(fēng)罩底部外緣；頂部結(jié)構(gòu)環(huán)向應(yīng)力全斷面受拉，拉應(yīng)力最大值4.39 MPa，豎向應(yīng)力內(nèi)拉外壓，拉應(yīng)力最大值2.0 MPa，均發(fā)生在上機(jī)架基礎(chǔ)面內(nèi)緣.

(2)均勻溫升時(shí)，環(huán)向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，風(fēng)罩中下部結(jié)構(gòu)鉛直向應(yīng)力內(nèi)壓外拉，最大值為1.89 MPa；頂部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)位置內(nèi)拉外壓，最大值為0.25 MPa.

(3)均勻溫降時(shí)，環(huán)向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，風(fēng)罩中下部結(jié)構(gòu)鉛直向應(yīng)力內(nèi)拉外壓，最大值為2.52 MPa；頂部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)位置內(nèi)壓外拉，最大值為0.33 MPa.

4 結(jié) 論

(1)采用有限元三維模型精確模擬廠房?jī)?nèi)主要結(jié)構(gòu)，并選取各主要結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析.計(jì)算結(jié)果表明，雖然廠房結(jié)構(gòu)中存在較多孔洞，對(duì)結(jié)構(gòu)有所削弱，但是其對(duì)廠房整體結(jié)構(gòu)影響不大，廠房結(jié)構(gòu)各部位應(yīng)力數(shù)值整體均不大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求.對(duì)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)和開孔部位，通過適當(dāng)加強(qiáng)配筋，可滿足強(qiáng)度要求.

(2)上機(jī)架基礎(chǔ)和下機(jī)架基礎(chǔ)剛度計(jì)算成果滿足本工程機(jī)組廠家對(duì)上述基礎(chǔ)的剛度要求.但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)盡量減小開孔，從而避免較大地削弱剛度.

(3)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)的溫度作用配筋量與常規(guī)荷載配筋量之比，豎向鋼筋為0.78，環(huán)向鋼筋為3.11(均勻溫降時(shí)可達(dá)6.3).表明對(duì)于風(fēng)罩等薄壁結(jié)構(gòu)，溫度作用是影響配筋設(shè)計(jì)的主要因素.

(4)本工程蝸殼外圍混凝土采用保壓澆筑方案.鑒于在機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)耐久性方面都有較好的表現(xiàn)，最后選取1.73 MPa(50%最大內(nèi)水壓力)作為鋼蝸殼的保壓值.

(5)蝸殼的保壓值是決定鋼襯與混凝土間初始縫隙大小的一個(gè)重要原因，但對(duì)于大型機(jī)組，溫度對(duì)初始縫隙的影響也是不容忽視.在不考慮蝸殼保壓時(shí)的保溫措施(節(jié)約成本)，保證初始縫隙不變(至少不增大)的情況下，當(dāng)充水保壓的水溫高于運(yùn)行期水溫(夏季施工)時(shí)，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低充水保壓值；當(dāng)充水保壓的水溫低于運(yùn)行期水溫(冬季施工)時(shí)，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大保壓值或者依然保持充水保壓值不變，并適當(dāng)增大蝸殼外圍混凝土的配筋量.

通過對(duì)響水澗地下廠房整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力的三維有限元分析，雖然廠房結(jié)構(gòu)中存在較多孔洞，對(duì)結(jié)構(gòu)有所削弱，但是其對(duì)廠房整體結(jié)構(gòu)影響不大，廠房結(jié)構(gòu)各部位應(yīng)力數(shù)值整體均不大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求.

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StaticAnalysisofUndergroundPowerhouseofXiangshuijianPumpedStoragePowerStation

YAO Xin-gang,XU Liang-hua,GAO Lian,TAN Jian-mei

(Powerchina Huadong Engineering Corporation Limited,Hangzhou 310014,China)

By use of ANSYS,the concrete structure of typical unit of the underground powerhouse in Xiangshuijian Power Station was simulated,and the static calculations were finished under several schemes. Dwell pressure in concreting had been determined. The results illustrate the bearing characteristics of complex structure and the reasonability of structural design. The steel design of irregular huge concrete structure can be done on the basis of stress results.

underground powerhouse; static calculation; dwell pressure; Xiangshuijian pumped storage power station

2016-06-20

姚新剛(1984-)，男，江西吉安人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樗娬緩S房動(dòng)靜力計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

TV311

A

1008-536X(2016)10-0024-05