某抽水蓄能电站充水保压蜗壳保压值优化研究

李 瑶，李 旭

(华能澜沧江水电股份有限公司，昆明 650000)

某抽水蓄能电站充水保压蜗壳保压值优化研究

李 瑶，李 旭

(华能澜沧江水电股份有限公司，昆明 650000)

针对某抽水蓄能电站充水保压蜗壳，采用三维非线性有限元法，对不同的保压值下钢蜗壳及环向钢筋应力、外围混凝土应力及承载比、钢蜗壳与外围混凝土的接触状态等进行了对比分析。研究结果表明，保压值越大对外围混凝土的受力越有利，但过大的保压值会使得蜗壳与外围混凝土之间出现脱空现象，这对机组运行是不利的。该水电站蜗壳保压值为496 m左右时，可以在保证机组稳定运行的前提下更大程度的发挥钢材及混凝土受力特性。关键词：抽水蓄能电站;充水保压;蜗壳;保压值；优化;非线性有限元法

目前大容量水轮机蜗壳的结构型式主要有3种：垫层埋置方式、直埋式和充水保压埋置方式[1]。与垫层埋置方式相比，大型水电站蜗壳常采用“充水保压”的埋置方式，可以使钢蜗壳与外包钢筋混凝土紧密结合成整体，有利于机组运行时的稳定性[2]。随着更多的大容量、高水头常规机组和大容量抽水蓄能机组的建设，充水保压蜗壳在中国有着更多应用的趋势。然而充水保压蜗壳结构的重要参数——保压值是一个非常关键的问题，它决定着外围钢筋混凝土的内轮廓。充水保压蜗壳结构预压水头值的选取，不仅关系到重要的经济问题，同时也关系到电站能否长期的安全运行。如果保压值定得过高，钢蜗壳与外围混凝土之间缝隙值可能偏大，影响机组的运行稳定性，可能引起厂房振动。反之，如果保压值定得过低，那么大部分内水压力将由外围混凝土承担，需要配置大量的钢筋，即使这样，混凝土的抗裂和整体稳定性仍然得不到保障，同样对厂房振动不利。因此有必要对充水保压值进行优化，从而选取合适的充水保压值，保证结构安全运行的同时使材料充分发挥其强度，达到经济最优的目的。

本文针对某抽水蓄能电站充水保压蜗壳，采用三维非线性有限元法对蜗壳结构5种保压方案进行了非线性计算，对比分析不同保压方案在正常运行水头作用下，钢衬及钢筋环向应力以及外围混凝土应力变形分布规律，同时也考虑了钢蜗壳与外围混凝土之间的接触状态以及混凝土的承载比等因素，为保压值的优化提供依据。

1 计算方案

本文以某充水蓄能电站的充水保压蜗壳结构为研究背景，该电站总装机容为2 400 MW。工程枢纽属Ⅰ等工程。电站蜗壳为钢蜗壳，厚度为26～50 mm，内径为222.84～1 040 mm，在正常运行工况下取蜗壳内水压力627 m水头，甩负荷时蜗壳内水压力为775 m水头。钢蜗壳及钢筋的弹性模量分别为2.10×105MPa和2.00×105MPa，泊松比为0.3，容重78.5 kN/m3，设计抗拉强度310 MPa；混凝土弹性模量为2.90×104MPa，泊松比为0.167，容重25 kN/m3，设计抗拉强度1.3 MPa。

选取了5种保压方案，在正常运行水头作用下分别对蜗壳结构进行有限元计算，计算荷载主要包括内水压力、结构自重等[3]，得到了不同保压值方案在正常运行水头作用下钢蜗壳和外围混凝土的应力变形分布规律。充水保压蜗壳不同方案保压值如表1。

表1 充水保压蜗壳不同方案保压值表

2 有限元模型

模型模拟了钢蜗壳及其外包混凝土、座环、机墩等结构。三维非线性有限元模型中蜗壳进人孔、尾水管进人孔等为尺寸较大孔洞；风罩、各层板梁柱结构和厂房边墙等结构简化为外荷载作用于机墩和蜗壳结构上[4]。

钢筋采用二节点杆单元，外围混凝土采用8结点六面体块体单元，局部采用四面体单元过渡，钢蜗壳、尾水管钢衬和座环采用板壳单元[5]；整体有限元模型55 559个节点，63 154个单元，整体模型见图1。

采用笛卡尔直角坐标系，坐标系原点取在0.0 m高程面与机组轴线相交处,其X轴为水平方向，沿厂房纵轴指向左端为正(面向下游)；Y轴为水平方向，指向上游为正；Z轴为铅垂方向，向上为正。

3 有限元计算结果分析

蜗壳典型断面及断面特征点示意图分别如图2～3。

图1 有限元模型图

图2 蜗壳典型断面示意图

图3 蜗壳典型断面特征点示意图

3.1 钢蜗壳应力分析

充水保压蜗壳的应力由2部分组成：① 由钢蜗壳单独承担充水保压水头产生的应力；② 钢蜗壳与外围钢筋混凝土联合承载剩余水头产生的应力。通过非线性有限元分析[6]，对5种不同保压方案下，钢蜗壳在断面不同特征点的应力进行了比较，如表2所示。

从表2中得出，随着钢衬及外包混凝土厚度的变化，各典型断面的钢蜗壳应力也有差异；保压值越大，钢蜗壳的应力越高[7]，钢材利用越充分，这有利于发挥钢材强度。5种方案中，钢蜗壳的最大应力分别是91.5、96.9、109.6、119.9和138.5 MPa，均未超过钢材的屈服极限。

表2 各典型断面的钢衬应力值表 /MPa

3.2 蜗壳环向钢筋应力分析

非线性有限元计算结果表明，在5种保压方案中，环向钢筋主要处于受拉状态且应力分布规律基本相同，均表现为随着保压水头的增加，同一断面相应特征点的环向应力逐渐减小。另外，同一断面的3层钢筋从内到外钢筋应力逐渐减小且最大环向钢筋应力出现的部位也不尽相同，内层钢筋最大应力出现在蜗壳顶部，中层钢筋出现在顶部与腰部之间，而外层钢筋出现在蜗壳腰部。图4～6给出了不同保压方案下断面Ⅱ各层环向钢筋应力变化趋势。

图4 内层环向钢筋应力变化图

3.3 外围混凝土应力及开裂分析

结果表明，在5种不同保压方案下，应力分布规律基本相同。外围混凝土主要承受拉应力，蜗壳外围混凝土最大环向拉应力主要集中在蜗壳顶部内缘且随着保压值的增大而减小。由于混凝土和钢蜗壳联合承载的水头减小，同一断面相应特征点的环向应力也随之减小[8]。随着保压值的增大，超过混凝土设计抗拉强度范围也随之减小，蜗壳外围混凝土可能开裂的深度随之减小，而混凝土蜗线方向的应力分布规律与环向应力相同，最大值主要集中在Ⅶ断面腰部。可见，增大保压值对混凝土受力有利，可节省钢材用量，减小蜗壳外围混凝土的开裂，确保蜗壳外围混凝土整体性以利于蜗壳结构的稳定运行。

图5 第2层环向钢筋应力变化图

图6 第3层环向钢筋应力变化图

3.4 钢蜗壳外围混凝土承载比分析

由某断面钢蜗壳切向应力的平均值σ0，按公式可以估算出该断面外围混凝土的承载比[9]：

(1)

式中：η为混凝土承担的内水压力占设计内水压力的百分比，简称混凝土承载比；δ为典型断面处钢蜗壳厚度,mm；γ为典型断面处钢蜗壳半径,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,MPa；

研究结果表明，在正常运行水头作用下，充水保压蜗壳保压值越高，钢衬与外包混凝土联合承载的水头将越低，外围混凝土承担的内水压力百分比就越低，即联合承载程度越小，这样不仅可以充分发挥钢材的抗拉强度，而且对混凝土受力更有利。典型断面的蜗壳外围混凝土承载比见表3。

表3 典型断面外围混凝土承载比表

4 钢蜗壳与外围混凝土接触状态分析

对于充水保压蜗壳而言，如果保压值选取的过大，当运行水头低于保压值时，由于钢蜗壳的自由变形值小于保压浇筑混凝土的膨胀值，这时蜗壳基本不受外围混凝土约束，会使得蜗壳与外围混凝土之间出现脱空现象，机组运行时的稳定性将会受到影响，进而可能导致厂房振动[10]。基于此，本文研究了蜗壳在496 m最低运行水头作用下，由钢蜗壳与混凝土的接触状态，得出了钢蜗壳与混凝土之间的间隙值，表4列举了不同保压方案下的最大裂隙值。研究结果表明，在496 m最低运行水头作用下，方案BY-1、BY-2、BY-3、BY-4基本没有出现脱空的情况，但当保压值为502 m时，断面Ⅱ顶部最大的间隙值为0.254 mm，说明方案BY-5钢蜗壳与外围混凝土之间出现了脱空现象，这可能会影响机组的运行稳定性，对厂房的稳定是不利的。

表4 不同断面处蜗壳和外围混凝土之间裂隙值表

/mm

5 结 语

(1) 随着保压值的增大，外围混凝土的环向应力减小，钢蜗壳的应力增大，混凝土的承载比也逐渐降低，这有利于提高混凝土的抗裂性，充分发挥钢材的强度，确保结构的整体性[11]。研究结果表明，保压值越大对外围混凝土的受力越有利，但如果保压值选取得过大，当运行水头低于保压值时，由于钢蜗壳的自由变形值小于保压浇筑混凝土的膨胀值，这时蜗壳基本不受外围混凝土约束，会使得蜗壳与外围混凝土之间出现脱空现象，这对机组运行是不利的。

(2) 对该抽水蓄能电站而言，当保压值为496 m时，在充分发挥钢材承载能力的前提下，可以保证外包混凝土各处的应力均在设计抗拉强度范围内，并且蜗壳结构运行时也能保证钢衬与外围混凝土紧密结合，不出现脱空现象，保证两者的完整性。综合各方面因素，建议保压值选择在496 m左右。

(3) 抽水蓄能电站蜗壳保压值选取的影响因素应综合考虑蜗壳钢衬的承载能力、外围混凝土的设计抗拉强度、环向纵向钢筋的配筋情况及保证机组长期稳定运行等各方面要求。在保持现有钢蜗壳设计厚度不变的情况下，应尽量取较高的保压水头值，但由于蜗壳的冷缩缝隙的存在，在不考虑施工期和运行期水的温差情况下，钢蜗壳保压值选择不能是越高越好，应留有一定的余地。

(4) 在保证机组长期稳定运行的前提下，允许应力相比还有盈余，钢材强度能得到较好的发挥，钢筋的配置适当不过量，是保证蜗壳保压值选取的经济合理性的关键因素。

[1] 伍鹤皋,马善定,秦继章.大型水电站蜗壳结构设计理论与工程实践[M].北京：科学出版社，2009.

[2] 秦继章,马善定,伍鹤皋.三峡水电站“充水保压”钢蜗壳外围混凝土结构三维有限元分析[J].水利学报，2001(06)：28-32.

[3] 申艳,伍鹤皋,蒋逵超.大型抽水蓄能电站充水保压蜗壳结构动静力分析[J].华中科技大学学报(自然科学版)，2007(04)：102-104.

[4] 聂金育.充水保压蜗壳保压值优化分析[C]//抽水蓄能电站工程建设文集.北京：中国电力出版社，2013 ：172-176.

[5] 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(02)：157-160.

[6] 杨华彬.高水头水电站蜗壳结构受力特性研究[J]. 2004(11):73-74,76.

[7] 黄勇,段自力,谢树平.惠州抽水蓄能电站厂房蜗壳结构分析和配筋优化[J].广东水利水电,2008(12):63-66.

[8] 张雪利.水电站蜗壳结构的裂缝分析与优化设计[D].大连：大连理工大学，2006.

[9] 刘亚军.岩壁吊车梁动力特性及响应的实测研究[J].水力发电,2007(06):35-38.

[10] 卢珊珊,刘晓青,赵兰浩,夏辉.水电站钢蜗壳垫层厚度对应力的影响分析[J].水电能源科学,2011(02):59-61.

[11] 伍鹤皋,蒋逵超,申艳,马善定.直埋式蜗壳三维非线性有限元静力计算[J].水力学报,2006(11): 1323-1328.

Study on Optimization of Pressure-securing Value of Spiral Case with Pressure Secured by Filling Water

LI Yao, LI Xu

(Huaneng Lancang River Hydropower Co., Ltd., Kunming 650000,China)

Regarding the spiral case with pressure secured by filling water of one pumped storage power plant, 3D nonlinear finite element method is applied to analyze stresses of the steel spiral case and circumferential reinforcement, stress of the exterior concrete, bearing ratio, contact of the spiral case and the exterior concrete, etc. The study presents that the higher the pressure-securing value is , the better the action of the exterior concrete is. But the extremely high pressure-securing value can cause gap between the spiral case and the exterior concrete. This impacts the unit operation adversely. When the pressure-securing value of the spiral case of the plant is about 496 m, actions of steel materials and concrete can be fully played under the precondition of assuring the normal operation of the unit.Key words: pumped storage power plant; water filling to secure pressure; spiral case; pressure-securing value; optimization; nonlinear finite element

1006—2610(2016)06—0055—04

2016-07-13

李瑶(1985- )，女，湖北省潜江市人，工程师，从事水利水电工程建设管理工作.

TV743;TK730

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.014