陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站蝸殼保壓值合理性分析

孫春華 ，張朋飛，姜澤明，傅 丹，費(fèi)秉宏

(1. 中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；2. 寧夏青銅峽抽水蓄能有限公司，寧夏 青銅峽 751699;3. 陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能有限公司，西安 710061；4. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 前 言

抽水蓄能電站是當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、最具大規(guī)模開發(fā)條件的電力系統(tǒng)綠色低碳清潔能源；抽水蓄能的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的必然選擇，加快抽水蓄能建設(shè)是中國“十四五”能源發(fā)展的重要任務(wù)。抽水蓄能電站高質(zhì)量快速發(fā)展的新時(shí)代已經(jīng)到來。

世界抽水蓄能電站正向著高水頭、大容量、高轉(zhuǎn)速發(fā)展?？傃b機(jī)容量為180萬kW的績溪抽水蓄能電站是中國首個(gè)650 m水頭段項(xiàng)目，總裝機(jī)容量為140萬kW的敦化抽水蓄能電站是我國首個(gè)700 m水頭段項(xiàng)目。隨著抽水蓄能技術(shù)水平的不斷發(fā)展，我國高水頭、大容量電站的數(shù)量將會(huì)越來越多，蝸殼結(jié)構(gòu)承擔(dān)的內(nèi)水壓力也將越來越大。根據(jù)抽水蓄能電站廠房振動(dòng)特性及對剛度的要求，充水保壓蝸殼在大中型水電站特別是抽水蓄能電站中得到了廣泛應(yīng)用[1]。充水保壓蝸殼結(jié)構(gòu)是在鋼蝸殼保持一定內(nèi)水壓力狀態(tài)下澆筑蝸殼外圍混凝土，運(yùn)行時(shí)通過蝸殼內(nèi)壓力的增減達(dá)到鋼蝸殼與外包混凝土聯(lián)合受力的目的。因此，保壓值是實(shí)現(xiàn)蝸殼與混凝土結(jié)構(gòu)聯(lián)合承載以及合理分配承載比例的關(guān)鍵參數(shù)，合理的保壓值對蝸殼結(jié)構(gòu)體型、工程投資、電站的穩(wěn)定運(yùn)行都有至關(guān)重要的作用。

保壓值越大則通過蝸殼外傳給混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)水比例越小，混凝土受力越小，故鋼筋量越小，工程投資更優(yōu)。當(dāng)運(yùn)行水頭低于保壓值時(shí)，由于鋼蝸殼的自由變形值小于保壓澆筑混凝土的膨脹值，這時(shí)蝸殼基本不受外圍混凝土的約束，蝸殼與混凝土間會(huì)出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，對機(jī)組運(yùn)行不利[2]。保壓值過小則蝸殼外圍混凝土承載內(nèi)水壓力比例過大，需配置的鋼筋量巨大，造成工程投資加大；同時(shí)，鋼筋間距過小及鋼筋層數(shù)太多對混凝土澆筑及振搗質(zhì)量有一定程度的不利影響。本文依托陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站工程，運(yùn)用三維有限元分析軟件ANSYS，建立廠房三維模型，分析不同保壓值下蝸殼結(jié)構(gòu)應(yīng)力、承載比、混凝土配筋等情況，為抽水蓄能電站蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站工程為Ⅰ等大(I)型，電站額定水頭440 m，總裝機(jī)容量1 400 MW，廠房內(nèi)安裝4臺單機(jī)容量350 MW的可逆式機(jī)組。機(jī)組段寬度25.5 m、長度26.5 m，采用充水保壓蝸殼，金屬蝸殼與外圍混凝土結(jié)構(gòu)聯(lián)合承擔(dān)內(nèi)水壓力，蝸殼進(jìn)口直徑為2.6 m，蝸殼外包混凝土下游面與圍巖相結(jié)合，蝸殼外包混凝土厚度最小1.95 m、最大3.75 m。本工程蝸殼最大靜水壓力5.57 MPa，蝸殼設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力7.6 MPa，機(jī)組在死水位運(yùn)行時(shí)蝸殼內(nèi)壓為5.22 MPa，計(jì)算蝸殼保壓值選取如下：

(1) 工況1

保壓值取0.5倍設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力，相當(dāng)于最小靜水壓力的0.73倍。

(2) 工況2

保壓值取0.53倍最小靜水壓力。

2 計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型

本研究以4號機(jī)組段為代表段進(jìn)行分析計(jì)算，利用ANSYS軟件對廠房4號機(jī)組段發(fā)電機(jī)層以下混凝土結(jié)構(gòu)、鋼鍋殼、座環(huán)、孔洞等進(jìn)行1∶1模擬，利用線彈性有限元方法對蝸殼整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算分析。鋼蝸殼和尾水管采用4結(jié)點(diǎn)殼單元模擬；外圍混凝土采用8結(jié)點(diǎn)六面體單元，四面體單元過渡。整個(gè)計(jì)算模型共101 312個(gè)結(jié)點(diǎn)，157 182個(gè)單元，其中鋼蝸殼689個(gè)單元，尾水管1 109個(gè)單元，混凝土140 732個(gè)單元，基巖19 439個(gè)單元。模型采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，XY為平面坐標(biāo)，上下游方向?yàn)閄，上游為正；Y向?yàn)榇怪蔽仛みM(jìn)口水流方向，面向發(fā)電水流方向指向右端為正；Z向?yàn)樨Q直向，指向上為正；笛卡爾坐標(biāo)系原點(diǎn)位于蝸殼中心。

圖1 蝸殼座環(huán)模型及網(wǎng)格劃分

圖2 廠房整體模型及網(wǎng)格劃分

2.2 材料參數(shù)

鋼板、鋼筋、混凝土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算方案與荷載組合

針對蝸殼結(jié)構(gòu)，采用規(guī)定的保壓值分別進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算考慮主要荷載有：結(jié)構(gòu)自重、機(jī)組主要設(shè)備荷載(含定子基礎(chǔ)、下機(jī)架基礎(chǔ)等)、蝸殼內(nèi)水壓力、樓面活荷載、尾水管內(nèi)外水壓。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 蝸殼外包混凝土應(yīng)力分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，按照圖3、4所示取典型斷面及特征點(diǎn)進(jìn)行分析，蝸殼外包混凝土應(yīng)力見圖5～10，特征點(diǎn)位應(yīng)力值見表2、3。

圖3 蝸殼蝸向斷面劃分

圖4 蝸殼斷面特征點(diǎn)示意

圖5 工況1蝸殼混凝土X向應(yīng)力 單位：MPa

表2 各斷面特征點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力值 /MPa

表3 各斷面特征點(diǎn)水流向應(yīng)力值 /MPa

從應(yīng)力云圖及表格數(shù)據(jù)可以看出，工況1蝸殼外圍混凝土各斷面環(huán)向出現(xiàn)較大拉應(yīng)力；各斷面頂、底部應(yīng)力水平較其他點(diǎn)位高，大部分?jǐn)嗝骓敳?、底部?nèi)緣環(huán)向拉應(yīng)力大于C30混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度(1.43 MPa)，需配置足夠的鋼筋。環(huán)向拉應(yīng)力最大值為a點(diǎn)的2.99 MPa，沿徑向遠(yuǎn)離蝸殼頂部拉應(yīng)力逐漸減?。凰飨蛞矌缀醵紴槔瓚?yīng)力，但總體應(yīng)力水平較低，在5～8號斷面最大拉應(yīng)力值達(dá)到0.90 MPa左右，這些斷面最大拉應(yīng)力分布于斷面腰部內(nèi)緣附近，其中最大值出現(xiàn)在8號斷面腰部偏上內(nèi)緣，應(yīng)力大小為0.94 MPa。

圖6 工況1蝸殼混凝土Y向應(yīng)力 單位：MPa

圖7 工況1蝸殼混凝土Z向應(yīng)力 單位：MPa

圖8 工況2蝸殼混凝土X向應(yīng)力 單位：MPa

圖9 工況2蝸殼混凝土Y向應(yīng)力 單位：MPa

工況2相比工況1，蝸殼內(nèi)水壓力不變，保壓值減小，因此各斷面環(huán)向及水流向應(yīng)力水平相比工況1明顯增大，應(yīng)力分布規(guī)律同工況1仍保持一致。環(huán)向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在2號斷面蝸殼頂部內(nèi)緣，應(yīng)力值為3.70 MPa，沿徑向遠(yuǎn)離蝸殼拉應(yīng)力逐漸減小；水流向應(yīng)力在4～9號斷面的蝸殼腰部內(nèi)緣附近最大，大小在0.56～1.09 MPa，相比工況1明顯增大。

圖10 工況2蝸殼混凝土Z向應(yīng)力 單位：MPa

3.2 承載比計(jì)算分析

由鋼蝸殼環(huán)向應(yīng)力的平均值σ0，按下式計(jì)算外圍混凝土的承載比η：

(1)

公式(1)中：δ為典型斷面處鋼蝸殼厚度，mm；r為典型斷面處鋼蝸殼半徑，mm；σ0為鋼蝸殼環(huán)向應(yīng)力平均值，MPa；pb為蝸殼保壓值,MPa;分別計(jì)算取2.79 、3.87 MPa；p為鋼蝸殼設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力，計(jì)算取7.6 MPa。鋼蝸殼環(huán)向應(yīng)力和混凝土承載比見表4。

表4 鋼蝸殼環(huán)向應(yīng)力和混凝土承載比

工況1保壓水頭為設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力的一半，混凝土承載約為33%，鋼蝸殼承擔(dān)了大部分的內(nèi)水壓力；工況2由于其相比工況1保壓水頭小，故混凝土承載比有所提高，提高至42%左右。 因此，從工況1和工況2的混凝土承載比變化可以看出，保壓值由3.80 MPa減小至2.79 MPa，混凝土承載比提高約9%。

3.3 混凝土配筋計(jì)算分析

根據(jù)三維有限元計(jì)算結(jié)果，對兩不同保壓方案的1～9號斷面進(jìn)行配筋計(jì)算及對比分析，計(jì)算公式如下：

(2)

由于大多數(shù)斷面拉應(yīng)力范圍均超過截面高度的2/3，因此配筋時(shí)Tc取為零；另外，計(jì)算時(shí)取鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)系數(shù)γd=1.2，鋼筋設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度fy=360 MPa。根據(jù)每個(gè)截面的合力T(考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1，設(shè)計(jì)狀況系數(shù)ψ持久狀況取1.0)，算出相應(yīng)的鋼筋面積見表5。

表5 蝸殼外圍混凝土各斷面配筋面積 /(mm2·m-1)

由表5分析可知：

(1) 對于環(huán)向配筋，斷面1、2為直管段，該部位管徑大、外包混凝土厚度相對較薄，混凝土拉應(yīng)力和配筋面積均達(dá)到最大，3號斷面以后隨著蝸殼斷面直徑逐漸減小，混凝土厚度增加，配筋量隨之減少。工況1直管2號斷面段環(huán)向頂部最大配筋面積10 652 mm2，工況2達(dá)到15 378 mm2，增加約44.3%；腰部配筋面積工況1為3 887 mm2，工況2高達(dá)10 457 mm2，增加約169%。底部配筋面積工況1為6 105 mm2，工況2增至8 930 mm2，增加約46.27%。

(2) 水流向配筋在直管段較小，后續(xù)斷面水流向配筋明顯增加，在6號斷面水流向配筋量達(dá)到最大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析蝸殼外包混凝土蝸向應(yīng)力，蝸向應(yīng)力數(shù)值及分布規(guī)律均與環(huán)向應(yīng)力有較大差異，環(huán)向應(yīng)力在蝸殼頂部內(nèi)側(cè)附近數(shù)值大，甚至超過混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，遠(yuǎn)離蝸殼頂部點(diǎn)位時(shí)應(yīng)力值迅速減小。水流向應(yīng)力在截面上整體比較均勻，數(shù)值均不大，最大1.646 MPa也僅略大于混凝土抗拉強(qiáng)度，完全不計(jì)混凝土抗拉強(qiáng)度的配筋方法是偏保守的。

4 結(jié) 論

(1) 蝸殼保壓值與蝸殼混凝土結(jié)構(gòu)承載比、混凝土配筋量、機(jī)組振動(dòng)、運(yùn)行穩(wěn)定性密切相關(guān)。保壓值過大則混凝土結(jié)構(gòu)受力越小，配筋量越少，工程投資越優(yōu)，但低水頭運(yùn)行時(shí)蝸殼與混凝土之間縫隙值大對機(jī)組振動(dòng)不利；保壓值過小則蝸殼外圍混凝土承擔(dān)內(nèi)水壓力比例大，配筋量大從而投資加大，同時(shí)，鋼筋間距過小及鋼筋層數(shù)太多對混凝土澆筑及振搗質(zhì)量有一定程度的不利影響，施工難度加大。

(2) 蝸殼保壓值為2.79 MPa時(shí)，蝸殼環(huán)向及水流向應(yīng)力相比保壓值為3.8 MPa時(shí)有明顯增大，但應(yīng)力分布規(guī)律一致，直管段較蝸向其他斷面環(huán)向拉應(yīng)力值要大，其中蝸殼頂部、底部內(nèi)緣環(huán)向拉應(yīng)力較大，水流向總體應(yīng)力水平較低。工況1及工況2環(huán)向拉應(yīng)力最大值分別為2.99、3.7 MPa，位于2號斷面蝸殼頂部內(nèi)側(cè)；蝸向最大拉應(yīng)力值分別為0.94、1.09 MPa，出現(xiàn)在8號斷面腰部偏上內(nèi)緣。

(3) 蝸殼保壓值為3.80 MPa時(shí)其外包混凝土承載比為33%，保壓值減小至2.79 MPa時(shí)，外包混凝土承載比提高至42%，蝸殼外包混凝土承載比提高約9%。

(4) 當(dāng)蝸殼保壓值取為2.79 MPa時(shí)，蝸殼外圍混凝土環(huán)向配筋量相比3.80 MPa保壓水頭有大幅增加，直管段配置3層?32@200 mm的鋼筋還略顯不足。工況2較工況1，直管段2號斷面段環(huán)向頂部最大配筋面積增加約44.3%，腰部配筋面積增加約169%，底部配筋面積增加約46.27%。從混凝土配筋的角度保壓水頭取為3.80 MPa更為合理。

(5) 當(dāng)蝸殼保壓值為3.80 MPa時(shí)，鋼蝸殼和座環(huán)強(qiáng)度并未充分發(fā)揮，理論上可以進(jìn)一步提高保壓水頭。但考慮機(jī)組在死水位運(yùn)行時(shí)蝸殼內(nèi)壓為5.22 MPa，僅高出保壓水頭1.42 MPa，如果進(jìn)一步提高保壓值，在低溫季節(jié)蝸殼與外圍混凝土可能出現(xiàn)脫空的情況，對蝸殼結(jié)構(gòu)整體性和機(jī)組抗振存在不利影響。