巨型水輪機蝸殼墊層埋設(shè)方式和監(jiān)測設(shè)計研究

伍文鋒 稅思梅

摘 要：溪洛渡水電站單機容量770 MW，最大水頭226 m，蝸殼尺寸大、承受的內(nèi)水壓力高。為設(shè)計蝸殼合理的墊層方案，從改善蝸殼結(jié)構(gòu)的受力狀況出發(fā)，通過建立蝸殼三維有限元模型，進(jìn)行線彈性計算和非線性有限元計算，對墊層厚度、包角和平面鋪設(shè)范圍以及蝸殼應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、混凝土裂縫開展與寬度等物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析，從而確定合理的墊層方案。在結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行蝸殼安全監(jiān)測設(shè)計。針對蝸殼不同結(jié)構(gòu)形狀、不同墊層方案選擇監(jiān)測斷面;選用多種監(jiān)測儀器對鋼襯及外圍混凝土應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行全面監(jiān)測，以分析機組運行性態(tài)和評價機組運行安全情況。

關(guān)鍵詞：水輪機蝸殼;墊層;埋設(shè)方式;溪洛渡水電站

中圖分類號：TV734.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.029

Abstract： The unit capacity of Xiluodu Hydropower Station is 770 MW and the maximum head is 226 m， having the features of big size of spiral case and high internal water pressure. In order to design reasonable cushion plan for spiral case， starting from improving suffer pressure of volute structure and through establishing three-dimensional finite element model of volute， it conducted linear elastic calculation and nonlinear finite element calculation. It analyzed the volute stress， reinforcement stress and development and width of concrete cracks physical indicators for determining a reasonable cushion plan. On the basis of structural calculation results， safety monitoring design of spiral case was carried out. The monitoring section was selected according to the different structural shapes and different cushion schemes. It selected and used various monitoring instrument to conduct overall monitoring in spiral case for analyzing the unit operation behavior and evaluating the safety of unit operation.

Key words： spiral case; cushion; embedding type; Xiluodu Hydropower Station

隨著特大型水電站的不斷涌現(xiàn)，大流量、高水頭和技術(shù)的進(jìn)步使得水輪發(fā)電機組容量不斷增大，蝸殼的HD值（H為水頭，D為蝸殼進(jìn)口斷面直徑）也不斷增大。蝸殼日趨向巨型化發(fā)展[1]。在建及將建的水電站機組容量越來越大，如溪洛渡水電站單機容量770 MW、向家壩水電站單機容量800 MW、白鶴灘和烏東德水電站單機容量1 000 MW。水電站蝸殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是一種特殊的鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[2]。對于巨型水電站高HD值的蝸殼，國內(nèi)外多采用打壓埋設(shè)方式，而墊層和直埋方式有明顯的優(yōu)點，但能否在巨型蝸殼結(jié)構(gòu)中采用一直存在疑慮并缺乏工程經(jīng)驗[3]。袁達(dá)夫等[4-5]結(jié)合三峽工程的特點，總結(jié)了大型水輪機蝸殼各種埋設(shè)方式的特點，提出直埋-墊層組合方案是有應(yīng)用前景的理想埋設(shè)方案。隨著直埋-墊層組合方案在工程中的成功運用，該方案將成為水電站蝸殼埋設(shè)方式選擇的發(fā)展趨勢[6]。

筆者結(jié)合溪洛渡水電站工程建設(shè)實踐，通過建立有限元計算模型，對墊層材料的鋪設(shè)范圍和物理力學(xué)指標(biāo)等參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，從而確定合理的墊層設(shè)計參數(shù)。同時，根據(jù)計算成果，對關(guān)鍵部位的位移和應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，以掌握機組蝸殼在施工期、調(diào)試期及運行期等不同工況下的工作性態(tài)和安全狀況。

1 工程概況

溪洛渡水電站采用地下式發(fā)電廠房，分左、右岸布置，兩岸各裝機9臺、單機容量為770 MW的水輪發(fā)電機組，總裝機容量13 860 MW。左、右岸地下廠房基本呈對稱布置于壩軸線上游庫區(qū)，廠房縱軸線方位分別為N24°W和N70°W。左右岸地下廠房分別由主機間、安裝間、副廠房、主變室、9條壓力管道、9條母線洞、9條尾水管及尾水連接洞、3條尾水洞、2條出線井及通排風(fēng)系統(tǒng)、防滲排水系統(tǒng)等組成，構(gòu)成以三大洞室為主體、縱橫交錯、上下分層的大規(guī)模地下洞室群。

溪洛渡電站蝸殼均按獨立承受包括升壓水頭在內(nèi)的最大工作水壓設(shè)計。單機引水流量為423.8 m3/s，最大水頭為226 m，最小水頭為155 m。該電站蝸殼尺寸大，承受的內(nèi)水壓力大，HD值達(dá)1 700 m2。鋼蝸殼和座環(huán)分別采用ADB 610D和S550Q鋼材，混凝土結(jié)構(gòu)主要采用C25、C20混凝土，各材料力學(xué)參數(shù)見表1。

2 機組蝸殼墊層埋設(shè)方式研究

蝸殼墊層方案具有減小外圍混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)的內(nèi)水壓力、方便施工、提高混凝土澆筑質(zhì)量等優(yōu)點。付洪霞等[7-12]研究表明，合適的墊層方案有利于改善蝸殼結(jié)構(gòu)的受力狀況。通過建立有限元計算模型，選擇不同的墊層厚度、墊層包角、墊層平面鋪設(shè)范圍等，分別對溪洛渡機組蝸殼鋼筋配置、混凝土裂縫開展與寬度，以及蝸殼剛度等進(jìn)行了敏感性分析，在此基礎(chǔ)上確定蝸殼墊層方案。

2.1 分析內(nèi)容

（1）彈性墊層鋪設(shè)厚度。選擇彈性墊層鋪設(shè)厚度2.0 cm為基本方案，2.5、3.0 cm為比較方案。

（2）彈性墊層包角。選擇從蝶形邊往外約1.5 m延伸到腰線處為基本方案，從蝶形邊往外約1.5 m延伸到腰線以下15°處為比較方案。

（3）彈性墊層平面鋪設(shè)范圍。選擇沿水流向墊層鋪設(shè)至蝸殼135°斷面為基本方案，沿水流向墊層鋪設(shè)至蝸殼150°斷面、90°斷面、45°斷面為比較方案。

2.2 模型建立

計算模型從錐管底高程346.10 m取至機墩頂高程368.76 m，模擬下機架進(jìn)人廊道、射流器坑、冷卻器坑、接力器坑、水輪機機坑（設(shè)兩個進(jìn)人廊道）、蝸殼進(jìn)人廊道、尾水管操作廊道、錐管進(jìn)人廊道等孔洞。蝸殼有限元模型見圖1。

2.3 計算結(jié)果及分析

2.3.1 線彈性計算

考慮到蝸殼最大內(nèi)水壓力為2.87 MPa（包括水擊壓力），線彈性計算時作用在蝸殼內(nèi)的水壓力取2.87 MPa。根據(jù)計算結(jié)果，整理了沿水流方向進(jìn)口斷面（0°斷面，見圖2）、45°斷面、90°斷面、135°斷面及180°斷面蝸殼外圍混凝土在子午斷面內(nèi)蝸殼頂部、腰線上45°、腰線處混凝土內(nèi)側(cè)、腰線下45°、蝸殼底部、腰線處混凝土外側(cè)共6個特征點的環(huán)向應(yīng)力值，特征點編號見圖2。

選擇墊層厚度為2.0、2.5、3.0 cm進(jìn)行計算，最大應(yīng)力見表2。從表2可以看出，在改善外圍混凝土拉應(yīng)力方面，不同墊層厚度相差很小，從節(jié)約材料和便于施工的角度考慮，墊層厚度為2.0 cm的方案最優(yōu)。

選擇墊層包角至腰線處和至腰線下15°兩種方案計算典型斷面各特征點應(yīng)力，見表3。從改善蝸殼外圍混凝土環(huán)向拉應(yīng)力角度看，墊層下端鋪設(shè)至腰線下15°與墊層鋪設(shè)到腰線處相比，在墊層鋪設(shè)區(qū)域確實降低了蝸殼腰線上45°、蝸殼頂部及底部等位置的混凝土拉應(yīng)力，但降低幅度不大，特別是在腰線部位應(yīng)力改善幅度更小;在未鋪設(shè)墊層區(qū)域，兩種墊層包角方案差別不大。從節(jié)省材料及便于施工角度考慮，墊層包角至腰線處方案最優(yōu)。

2.3.2 非線性有限元計算

（1）鋼筋應(yīng)力。在比較了墊層厚度和包角的基礎(chǔ)上，通過非線性有限元計算選擇墊層的平面鋪設(shè)范圍。選擇墊層鋪設(shè)至90°、135°、150°三種方案。非線性有限元分析主要進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)驗算，考慮到蝸殼正常運行工況最大內(nèi)水壓力為2.41 MPa，取內(nèi)水壓力為2.41 MPa。

鋪設(shè)墊層區(qū)域鋼筋拉應(yīng)力一般低于未鋪設(shè)墊層區(qū)域的，說明墊層鋪設(shè)效果明顯，見表4。墊層平面鋪設(shè)范圍越大，內(nèi)層環(huán)向鋼筋應(yīng)力越小，混凝土開裂區(qū)域越小。

（2）裂縫寬度。根據(jù)鋼筋應(yīng)力，主要計算了各鋪設(shè)方案下鋼筋混凝土內(nèi)由環(huán)向拉應(yīng)力所產(chǎn)生的徑向裂縫寬度。墊層鋪設(shè)至90°、135°、150°（墊層平面鋪設(shè)范圍，沿水流方向的斷面），混凝土最大裂縫寬度分別為0.371、0.274、0.235 mm。從最大裂縫寬度限值0.3 mm來看，墊層鋪設(shè)至135°或150°均可滿足要求，墊層鋪設(shè)至150°方案最大裂縫寬度最小。墊層鋪設(shè)至150°蝸殼外圍混凝土的開裂范圍見圖3。

（3）鋼襯應(yīng)力。在鋪設(shè)墊層的區(qū)域和未鋪設(shè)墊層的區(qū)域，各方案相比，鋼襯應(yīng)力相差不大。最大應(yīng)力為130 MPa。鋼襯的等效應(yīng)力從蝸殼進(jìn)口斷面開始隨著管徑的減小，鋼襯應(yīng)力整體上表現(xiàn)為減小趨勢。上半部鋪設(shè)了墊層，使得鋼襯承擔(dān)了更大比例的內(nèi)水壓力;上半部鋼襯的等效應(yīng)力大于下半部的。

（4）墊層鋪設(shè)范圍選擇。根據(jù)非線性有限元計算結(jié)果，對比分析鋼筋應(yīng)力、裂縫寬度、鋼襯應(yīng)力等指標(biāo)，可以得出墊層平面鋪設(shè)至135°和150°都是可行的。

2.4 墊層方案

綜合線彈性計算、非線性有限元計算結(jié)果，最終確定溪洛渡水電站機組蝸殼墊層采用組合方案的埋設(shè)方式：厚度為（20±0.2） mm的聚氨酯軟木材料墊層（彈性模量為2.5 MPa），墊層包角至腰線處，墊層鋪設(shè)范圍選擇135°或150°兩種方案。

3 安全監(jiān)測設(shè)計

蝸殼體型復(fù)雜，荷載傳遞方式和內(nèi)力分配難以確定，必須通過原型觀測取得鋼筋和蝸殼應(yīng)力、接縫開度等數(shù)據(jù)，用于掌握機組運行狀態(tài)，并為指導(dǎo)施工和改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)。於三大等[13-16]對水輪機組蝸殼的原型觀測應(yīng)力、開度等數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，為后續(xù)蝸殼原型觀測設(shè)計提供了參考和借鑒?，F(xiàn)根據(jù)蝸殼的埋設(shè)方式，結(jié)合模型計算結(jié)果，對溪洛渡蝸殼原型觀測設(shè)計方案進(jìn)行研究。

3.1 監(jiān)測目的

通過對流道（壓力管道、蝸殼及過渡板等）應(yīng)力、蝸殼與混凝土間的相對變形、蝸殼外圍混凝土及鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變等項目進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合蝸殼結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，分析機組運行性態(tài)和評價機組運行的安全情況。

3.2 監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)溪洛渡水電機組蝸殼埋設(shè)方式的特點，選擇的蝸殼監(jiān)測項目和內(nèi)容：壓力鋼管、蝸殼及過渡板應(yīng)力，蝸殼與外圍混凝土之間縫隙開度，壓力鋼管、蝸殼外圍混凝土鋼筋應(yīng)力及應(yīng)變。

3.3 監(jiān)測儀器布置原則

根據(jù)蝸殼的結(jié)構(gòu)特點，蝸殼處監(jiān)測儀器測點布置主要考慮以下原則：測點布置力求全面反映蝸殼應(yīng)力、開度變形等的完整分布情況，并確保監(jiān)測數(shù)據(jù)完整和可靠;測點布置以蝸殼及過渡板應(yīng)力、蝸殼與混凝土間開度、外包混凝土的應(yīng)力及應(yīng)變和鋼筋應(yīng)力等為主。

3.4 監(jiān)測方案

以盡量少的機組臺數(shù)滿足監(jiān)測要求，從而節(jié)約投資，減少施工干擾是監(jiān)測設(shè)計的首要問題[17]。共選擇了5臺機組蝸殼進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測方案基本相同?，F(xiàn)以1號機組為例進(jìn)行闡述。

（1）監(jiān)測斷面布設(shè)。1號機組沿蝸殼進(jìn)口、蝸殼墊層、蝸殼（未鋪設(shè)墊層）處選擇A—A、B—B、C—C共3個監(jiān)測斷面，對蝸殼不同結(jié)構(gòu)形狀、不同墊層方案部位進(jìn)行監(jiān)測，見圖4。

圖4 1號機組蝸殼監(jiān)測斷面布置（數(shù)字表示蝸殼分節(jié)序號）

（2）監(jiān)測儀器布置。主要布置了測縫計（用符號JS表示）、鋼板應(yīng)變計（用符號RP表示）、鋼筋計（用符號RS表示）、混凝土應(yīng)變計（用符號S4表示）、無應(yīng)力計（用符號S表示）等監(jiān)測儀器。測縫計用于監(jiān)測鋼蝸殼與外圍混凝土之間接縫開度，可分析蝸殼與外圍混凝土分擔(dān)蝸殼內(nèi)水壓力的情況;鋼板應(yīng)變計用于監(jiān)測蝸殼環(huán)向和流向的應(yīng)力變化，以此來監(jiān)測蝸殼的安全穩(wěn)定性;鋼筋計用于監(jiān)測外圍混凝土-內(nèi)外層鋼筋的應(yīng)力變化;混凝土應(yīng)變計和無應(yīng)力計用于監(jiān)測外圍混凝土的應(yīng)力變化。根據(jù)有限元計算結(jié)果，儀器主要布設(shè)在特征點1（頂部）、3（腰線處）、5（底部）等部位，儀器布置見圖5。

圖5 監(jiān)測儀器布置

4 結(jié) 語

溪洛渡水電站單機容量770 MW，最大水頭226 m，蝸殼尺寸大、承受的內(nèi)水壓力大。通過線彈性計算和非線性有限元計算，確定了溪洛渡蝸殼墊層厚度（20±0.2）mm，墊層包角至腰線處，墊層鋪設(shè)范圍選擇135°或150°墊層平面鋪設(shè)范圍兩種方案。在結(jié)構(gòu)計算的基礎(chǔ)上進(jìn)行蝸殼安全監(jiān)測設(shè)計。針對蝸殼不同結(jié)構(gòu)形狀、不同墊層方案選擇監(jiān)測斷面，采用多種監(jiān)測儀器有針對性地對蝸殼應(yīng)力、蝸殼與外圍混凝土之間縫隙開度、外圍混凝土鋼筋應(yīng)力及應(yīng)變等進(jìn)行監(jiān)測，最終達(dá)到了全面監(jiān)測的目的，為分析機組運行性態(tài)和評價機組運行的安全性奠定了基礎(chǔ)。

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