响水涧抽水蓄能电站地下厂房静力特性分析

姚新刚，徐良华，高 炼，谭建梅

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

响水涧抽水蓄能电站地下厂房静力特性分析

姚新刚，徐良华，高 炼，谭建梅

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

响水涧电站地下厂房结构采用ANSYS大型通用软件进行三维有限元分析，通过整体模拟典型机组段混凝土结构，进行多种组合工况下静力计算，确定蜗壳保压浇筑时的保压压力，分析厂房关键部位(尾水管外围混凝土、蜗壳外围混凝土、机墩、风罩)等复杂结构的受力特性，验证其结构设计的合理性，为不规则结构合理配筋设计提供设计依据。

地下厂房；静力计算；保压压力；响水涧抽水蓄能电站

响水涧抽水蓄能电站位于安徽省芜湖市三山区峨桥镇境内，电站装机容量为1 000 MW，是我国第一座主辅设备全面国产化的抽水蓄能电站[1].响水涧抽蓄厂房为地下厂房，共布置四台机组，单机容量250 MW，机组额定转速250 r/min，机组中心距为28 m，机组间皆设结构缝.最大水头为217.4 m，额定水头为190 m.蜗壳进口直径为3.456 m，蜗壳承受的最大内水压力为3.45 MPa，蜗壳外包混凝土采取充水保压方式浇筑，这种充水保压蜗壳在大中型水电站特别是抽水蓄能电站得到广泛的应用[2-6].为深入了解响水涧国产机组对厂房结构受力的影响，合理确定蜗壳充水保压压力，为厂房主要受力结构的布置及配筋提供设计依据，采用有限元方法，通过模拟该电站地下厂房典型机组段的混凝土结构，进行静力分析.

1 计算说明

选取典型机组段(长×宽×高=28 m×25 m×55.7 m)进行有限元分析，根据构件的特征，选用块体单元模拟混凝土结构和围岩，采用壳单元模拟蜗壳、尾水管钢衬、座环和固定导叶.混凝土单元与钢衬单元之间的网格不考虑滑移.计算模型底部及围岩四周均采用法向约束，其他地方均为自由面.整个计算模型共148 028个结点，144 547个单元.

响水涧地下厂房横剖面(见图1)，相应有限元网格模型(见图2).

图1 响水涧地下厂房横剖面图

图2 地下厂房结构有限元网格模型

2 结构静力分析

对地下厂房结构进行静力分析，主要从结构受力方面来验证结构设计的合理性，并揭露结构薄弱部位.静力计算分别对尾水管、蜗壳外包混凝土、机墩、风罩以及主要孔洞进行了针对性的结构分析.

(1)尾水管结构分析

尾水管外围混凝土承担最大内水压力为1.05 MPa时，顺水流方向的应力大部分为压应力，仅在直管段內缘出现小于0.3 MPa的拉应力；环向拉应力最大值为1.46 MPa，发生在尾水肘管末端顶部內缘.由此可知，最大拉应力超过了混凝土的单轴抗拉设计强度1.27 MPa，但是绝大部分位置的混凝土应力均在设计强度之下.总体而言，结构在强度上是安全的.

(2)蜗壳外包混凝土结构分析

响水涧抽蓄地下厂房采用充水保压浇筑的金属蜗壳，蜗壳钢衬与外围混凝土联合受力，计算时蜗壳外围混凝土承受的内水压力扣除充水保压压力.为选取蜗壳合理的充水保压值，计算以下几种工况：工况B1,充水保压1.37 MPa(40%最大内水压力)；工况B2，充水保压1.73 MPa(50%最大内水压力)；工况B3，充水保压2.00 MPa(60%最大内水压力).蜗壳在最大内水压力(3.45 MPa)作用下，其它部位荷载均按照甩负荷工况时相应的荷载施加.

为便于成果统计，选取若干典型截面，具体位置(见图3).图4～图7为2#、6#、8#、10#断面在工况B1～B3时第一主应力云图.图中，黄色区域表示第一主应力介于轴心抗拉强度设计值1.27 MPa与轴心抗拉强度标准值1.78 MPa的混凝土区域；红色区域表示第一主应力大于轴心抗拉强度标准值1.78 MPa的混凝土区域.

图3 蜗壳典型截面示意图

图4 2#断面第1主应力对照图(MPa)

图5 6#断面第1主应力对照图(MPa)

图6 8#断面第1主应力对照图(MPa)

图7 10#断面第1主应力对照图(MPa)

由图4～图7可知：①蜗壳外围混凝土应力符合一般分布规律，即蜗壳断面越小，应力越小；最大应力区域一般分布在座环上、下蝶边和蜗壳断面顶部区域以及蜗壳鼻端等位置.②蜗壳保压值越大，蜗壳外围混凝土第一主应力就越小，大于1.27 MPa的混凝土区域也就越小.③对比2#断面云图，各工况蜗壳外围混凝土第一主应力大于设计值的区域，B1工况分布在蜗壳外围厚度0.5 m范围内，而且在蜗壳鼻端处贯穿，B2工况仅分布在蜗壳顶部、底部以及蜗壳鼻端等位置，分布深度小于0.3 m.B3工况范围很小，仅分布于蜗壳顶部和底部，深度不足0.15 m.④B3工况保压值最大，蜗壳外围混凝土环向拉应力最小，结构最安全，但是，保压值过大容易使钢蜗壳和外围混凝土之间在运行中留有缝隙，特别在工作水头小于保压值时，缝隙会更大，增加机组运行的不稳定性；而B1工况保压值最小，蜗壳外围混凝土环向拉应力偏大，相应的配筋量大，并且在运行中蜗壳外围混凝土容易产生大范围的裂缝，从而影响结构的耐久性.B2工况的情况介于B1工况和B3工况之间，保压值适中，在机组运行稳定性[7]和结构耐久性方面都会有较好的表现.综合考虑，可选取B2工况保压值(1.73 MPa)作为钢蜗壳结构的保压值.

在上述蜗壳保压压力确定的基础上，本文以最为常见的机组正常运行工况进行成果分析.即蜗壳在最大静水压力(2.74 MPa)作用下，不考虑钢蜗壳和外围混凝土之间的间隙[8]，其他部位的荷载按照机组正常运行时相应的荷载施加.

计算结果表明：蜗壳外围混凝土的顶部内缘的环向应力范围为0.56～1.16 MPa，腰部内缘的环向应力范围为-0.32～0.28 MPa，底部的环向应力范围为0.57～1.06 MPa；环向应力最大值发生在进口直管段的顶部内缘.水流向的拉应力数值均较小，最大拉应力为0.71 MPa，最大值发生在9#断面(接力器坑断面的底部外缘).

由此可见：正常运行工况下，蜗壳外围混凝土典型位置的各向拉应力均未超过混凝土的轴心抗拉强度设计值，结构在强度上是安全的.

(3)机墩结构分析

机墩竖向应力均为压应力；环向应力大部分区域为拉应力，最大值为0.95 MPa，出现在定子基础断面上.对机墩、风罩等上部结构刚度分析表明，上机架单个支撑基础的最小刚度为3.5 MN/mm，下机架单个支撑基础的刚度达9.6 MN/mm，整个上部结构具有较大的刚度.

(4)风罩结构分析

风罩环向应力大部分均为压应力；风罩铅直向应力中下部分断面主要是受压，中上部分断面是内拉外压，拉应力值很小，主要是由发电机层楼板的荷载引起的.

(5)孔洞应力分析

厂房尾水管、蜗壳及上部结构中的孔洞较多，且部分孔洞的尺寸较大.计算成果表明，孔洞周边的应力绝大部分区域在混凝土单轴抗拉设计值以下，仅左侧接力器坑和风罩出线孔等局部应力偏大，因而在采取孔洞周边加强环向布筋等措施后，孔洞结构在强度上是可以满足结构要求的.

3 风罩温度应力

机组运行时所产生的热量使得风罩内空气温度升高，风罩结构内外壁因此产生温差.而风罩为薄壁圆筒结构，温度变化在混凝土内部所引起的温度应力对风罩混凝土应力影响很大.因此选取机墩、风罩和部分楼层框架作为模拟对象，考虑风罩结构内外温差15 ℃和20 ℃、风罩结构均匀温升和温降15 ℃等4 种工况，进行风罩温度应力分析.计算表明：

(1)内外温差工况，风罩中下部环向、竖向应力为内压外拉.拉应力最大值分别为5.56 MPa和4.53 MPa，发生在风罩底部外缘；顶部结构环向应力全断面受拉，拉应力最大值4.39 MPa，竖向应力内拉外压，拉应力最大值2.0 MPa，均发生在上机架基础面內缘.

(2)均匀温升时，环向应力均为压应力，风罩中下部结构铅直向应力内压外拉，最大值为1.89 MPa；顶部结构基础位置内拉外压，最大值为0.25 MPa.

(3)均匀温降时，环向应力均为拉应力，风罩中下部结构铅直向应力内拉外压，最大值为2.52 MPa；顶部结构基础位置内压外拉，最大值为0.33 MPa.

4 结 论

(1)采用有限元三维模型精确模拟厂房内主要结构，并选取各主要结构最危险工况进行结构受力分析.计算结果表明，虽然厂房结构中存在较多孔洞，对结构有所削弱，但是其对厂房整体结构影响不大，厂房结构各部位应力数值整体均不大，结构强度满足设计要求.对风罩结构和开孔部位，通过适当加强配筋，可满足强度要求.

(2)上机架基础和下机架基础刚度计算成果满足本工程机组厂家对上述基础的刚度要求.但结构设计时还应尽量减小开孔，从而避免较大地削弱刚度.

(3)风罩结构的温度作用配筋量与常规荷载配筋量之比，竖向钢筋为0.78，环向钢筋为3.11(均匀温降时可达6.3).表明对于风罩等薄壁结构，温度作用是影响配筋设计的主要因素.

(4)本工程蜗壳外围混凝土采用保压浇筑方案.鉴于在机组运行稳定性和结构耐久性方面都有较好的表现，最后选取1.73 MPa(50%最大内水压力)作为钢蜗壳的保压值.

(5)蜗壳的保压值是决定钢衬与混凝土间初始缝隙大小的一个重要原因，但对于大型机组，温度对初始缝隙的影响也是不容忽视.在不考虑蜗壳保压时的保温措施(节约成本)，保证初始缝隙不变(至少不增大)的情况下，当充水保压的水温高于运行期水温(夏季施工)时，此时应适当降低充水保压值；当充水保压的水温低于运行期水温(冬季施工)时，此时应适当增大保压值或者依然保持充水保压值不变，并适当增大蜗壳外围混凝土的配筋量.

通过对响水涧地下厂房整体结构进行静力的三维有限元分析，虽然厂房结构中存在较多孔洞，对结构有所削弱，但是其对厂房整体结构影响不大，厂房结构各部位应力数值整体均不大，结构强度满足设计要求.

[1] 柯志建.首座国产化抽水蓄能电站投产期的创新管理[J].华电技术,2013,35(9):44-46.

[2] 王海军,黄津民,王日宣.充水保压钢蜗壳外围混凝土应力分析方法研究[J].中国农村水利水电,2007(6):131-133,136.

[3] 秦 亮,练继建,郑 伟.大型水电站厂房蜗壳结构形式研究[J].中国农村水利水电,2006(1):69-72.

[4] 亢景付,孙少杰,张沁成.西龙池抽水蓄能电站蜗壳结构三维有限元计算分析[J].水力发电学报,2007,26(2):37-41,53.

[5] 林绍忠,苏海东.水电站蜗壳保压浇筑混凝土结构的三维仿真分析[J].水利学报,2002(1):66-70.

[6] 李文富,李锦成,赵小娜.水电站充水预压蜗壳结构的应力仿真算法研究[J].水力发电,2004,30(3):52-54.

[7] 聂金育,伍鹤皋,苏 凯.抽水蓄能电站蜗壳保压值优化研究[J].水电能源科学,2009,27(1):151-154.

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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

姚新刚(1984-)，男，江西吉安人，高级工程师，主要研究方向为水电站厂房动静力计算及结构设计.

TV311

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