影响水电站垫层蜗壳结构自振特性的若干因素分析

黄 鹏 伍鹤皋 余晓华 刘 静

(1. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室， 武汉 430072； 2. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司， 西安 710065)

影响水电站垫层蜗壳结构自振特性的若干因素分析

黄 鹏1伍鹤皋1余晓华2刘 静2

(1. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室， 武汉 430072； 2. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司， 西安 710065)

本文采用ANSYS软件对某水电站地下厂房蜗壳结构自振特性进行了分析，研究了水电站垫层蜗壳结构中垫层平面铺设范围、垫层老化性能、水体质量、水压力膨胀作用等因素对结构自振特性的影响．研究结果表明：垫层未老化时，垫层平面铺设范围、水体质量和水压力膨胀作用对蜗壳结构自振频率影响不明显；当垫层老化形成较大的缝隙并考虑流道内水体质量时，钢蜗壳和混凝土结构自振频率会明显减小，而由于内水压力膨胀作用使得钢蜗壳刚度的增加则会提高结构的自振频率，对结构抗振有利．因此在垫层蜗壳设计时一定要重视垫层材料的选择，确保其力学性能不因时间而改变．

水电站蜗壳； 自振特性； 水体质量； 水压膨胀； 垫层老化； 垫层平面铺设范围

随着近二十年来国内大型水电站项目的高速发展，通过数值模拟和模型试验以及原型观测等研究手段，我国对水轮机蜗壳埋入方式的研究取得了丰富的成果[1-2]．工程实践中最常用的有垫层蜗壳、充水保压蜗壳、直埋蜗壳．传统意义上的垫层蜗壳是指垫层平面铺设范围从引水钢管进入厂房后的蜗壳进口铺设至270°断面附近，但有学者考虑到蜗壳外围混凝土的受力特性和厂房整体结构的动力特性以及垫层的施工复杂性[3]，提出了减小垫层的平面铺设范围的做法[4-5]，并做了大量的静力计算．研究证明：垫层平面铺设范围的减小是可行的．但水电站在实际运行中还应考虑厂房振动问题，当厂房的激振频率与结构自振频率相近时，就会产生共振，从而危及水电站的安全稳定运行[6-8]，因此需要对厂房和蜗壳结构的自振特性做一定的研究．文献[9]研究了垫层弹性模量、垫层包角对钢蜗壳自振特性的影响，文献[10]研究了垫层老化失效对厂房整体结构自振频率的影响，但在水电站正常运行工况下还应考虑流道内水体质量和水压力作用膨胀对钢蜗壳刚度的影响，对这些方面的研究有待进一步开展．

本文利用ANSYS软件自带的质量单元(MASS21)模拟流道内水体质量，采用预应力模态分析方法模拟水压力作用膨胀对钢蜗壳刚度的增强效果，继而研究其对蜗壳结构自振特性的影响．结合某设置垫层蜗壳的实际工程厂房结构采用“无质量地基”方法分别对钢蜗壳和混凝土结构单独进行了模态分析，即将除所计算的局部结构外的其余结构质量均赋为零，使其为计算的局部结构提供“边界条件”，从垫层老化与否、水体质量、水压力、垫层平面铺设范围等方面对水电站厂房结构自振特性展开分析和讨论，可以为垫层蜗壳合理选取垫层平面铺设范围等参数提供一定的参考．

1 计算模型和条件

某水电站地下厂房单机容量330 MW，蜗壳设计内水压力1.2 MPa．本文以标准2号机组段为研究对象，按厂房各结构的实际尺寸建立三维有限元模型．地下厂房上、下游围岩对厂房混凝土结构的约束采用弹簧单元combine14模拟，机组段左右两侧厂房分缝边界按自由面考虑，蜗壳进口施加管轴向约束，计算模型范围的围岩底部施加固端约束．

水体附加质量根据流道内的水体体积乘以密度再平均施加到钢蜗壳和尾水管钢衬节点上，材料参数见表1，整体计算模型如图1所示．

表1 计算模型材料参数

图1 整体有限元模型(单位：m)

根据工程上最常采用的两种垫层平面铺设范围(如图2所示)，共拟定了蜗线方向由直管段进口断面铺至45°断面处和270°断面处两个方案，垫层厚度均为30 mm，子午断面内垫层内侧距座环顶部圆心角20°，外侧至蜗壳腰部(安装高程)，垫层材料未老化时动弹性模量为3.25 MPa，老化后按最不利考虑动弹性模量取为0.001 3 MPa．

图2 垫层设置范围

垫层平面铺设范围为45°时对钢蜗壳和混凝土以及厂房整体结构自振频率的计算方案见表2，垫层平面铺设范围为270°断面时计算方案类似，只是编号时将45用270代替．

表2 垫层包角45°时计算方案

续表2 垫层包角45°时计算方案

2 钢蜗壳自振特性

采用“无质量地基”方法对钢蜗壳单独进行了自振特性分析，即将除钢蜗壳外的其余结构质量均赋为零，弹模和泊松比保持不变，使其为计算的钢蜗壳结构提供“边界条件”．

2.1 垫层老化的影响

根据计算结果，整理了钢蜗壳在管空、管满1、管满2三种计算工况下的自振频率与垫层老化与否和垫层铺设范围的关系，如图3所示．从图中可以看出：对于管空工况，垫层老化会略微降低钢蜗壳的自振频率，垫层平面铺设范围45°方案的自振频率始终略大于270°方案；对于管满1工况，垫层老化会明显降低钢蜗壳的自振频率，基频由9.2 Hz降低到3.6 Hz；对于管满2工况，垫层未老化时，由于内水压力的作用，270°方案的钢蜗壳自振频率明显大于45°方案，垫层老化时，两个方案的低阶自振频率相近，高阶自振频率45°方案大于270°方案．

图3 钢蜗壳自振频率

2.2 水体质量和水压力的影响

根据计算结果，整理了两种垫层铺设范围下钢蜗壳在垫层老化与否的自振频率与水体质量和水压力的关系，如图4所示．从图中可以看出：垫层未老化时，在流道中增加水体质量会略微减小钢蜗壳自振频率，考虑内水压力预应力作用对钢蜗壳刚度的加强会明显增加钢蜗壳的自振频率，45°方案基频由9.3 Hz增加到11.6 Hz，270°方案基频由9.2 Hz增加到13.03 Hz；垫层老化时，在流道中增加水体质量会明显降低钢蜗壳自振频率，基频由9.2 Hz降低到3.6 Hz，再考虑内水压力的预应力作用相对管满1工况低阶频率增加不明显，但高阶频率明显增加．

图4 钢蜗壳自振频率

3 混凝土结构自振特性

同样的，采用“无质量地基”方法对混凝土结构单独进行了自振特性分析，即将除混凝土外的其余结构质量均赋为零，弹模和泊松比保持不变，使其为计算的混凝土结构提供“边界条件”．

3.1 垫层老化的影响

根据计算结果可以看出，整理了混凝土结构在3种计算工况下的自振频率与垫层老化与否和垫层铺设范围的关系，如图5所示．从图中可以看出：对于管空工况，垫层老化与否和垫层平面铺设范围均对混凝土结构自振频率基本无影响；对于管满1工况，垫层老化会明显降低混凝土的自振频率，基频由9.3 Hz降低到3.8Hz，45°方案高阶频率略大于270°方案；对于管满2工况，垫层老化会明显降低混凝土的自振频率，基频由9.3 Hz降低到6.4 Hz．垫层未老化时3种工况下混凝土结构的第1阶振型均为厂房立柱、楼板等上部结构沿厂房纵轴线方向振动；垫层老化后管空工况厂房立柱、楼板等上部结构的振型出现在第1阶，管满1工况出现在第9阶，管满2工况出现在第4阶．因此垫层老化与否的3种工况下厂房上部结构的自振频率相差不大，即垫层老化性能、水体质量和水压力等因素对厂房上部结构自振特性的影响不大．

图5 混凝土自振频率

3.2 水体质量和水压力的影响

根据计算结果，整理了两种垫层铺设范围下混凝土在垫层老化与否的自振频率与水体质量和水压力的关系，如图6所示．

图6 混凝土自振频率

从图中可以看出：垫层未老化时，考虑蜗壳中水体质量会引起混凝土低阶频率略微减小，高阶频率明显减小；再考虑蜗壳内水压力的预应力作用后，管满2工况的混凝土自振频率会有一定的增大，但低阶频率比较相近．垫层老化时，考虑蜗壳中水体质量会明显降低混凝土自振频率，基频由10.7 Hz降低到3.8 Hz，再考虑蜗壳内水压力的预应力作用后，相对管满1工况频率明显增加，基频由3.8Hz增加到6.4Hz．

4 整体结构自振特性

4.1垫层老化的影响

根据计算结果，整理了厂房整体结构在3种计算工况下的自振频率与垫层老化与否和垫层铺设范围的关系，如图7所示．从图中可以看出：对于管空工况，垫层老化会略微降低结构的自振频率，影响不大；对于管满1工况，垫层老化明显降低结构的自振频率，基频由9.2Hz降低到3.6 Hz；对于管满2工况，270°方案的整体结构自振频率明显大于45°方案，垫层老化明显降低结构的自振频率．

图7 整体结构自振频率

4.2 水体质量和水压力的影响

根据计算结果，整理了两种垫层铺设范围下厂房整体结构在垫层老化与否的自振频率与水体质量和水压力的关系，如图8所示．从图中可以看出：垫层未老化时，厂房整体结构自振频率主要由钢蜗壳引起的，水体质量和水压力对整体结构自振频率的影响与对钢蜗壳的影响类似，但水体质量和水压力对整体结构基频影响不大，基频均为9.2 Hz左右．垫层老化时，厂房整体结构自振频率主要由钢蜗壳和混凝土共同影响，考虑蜗壳中水体质量会明显降低整体结构自振频率，基频由9.2 Hz降低到3.6 Hz，再考虑蜗壳内水压力的预应力作用后，相对管空工况低阶频率仍然是降低的，基频由9.2 Hz降低到6.0 Hz，但高阶频率比管空有一定增加．

图8 整体结构自振频率

5 结 语

本文结合某大型水电站地下厂房工程实际，针对垫层平面铺设范围、垫层老化性能、水体质量和水压力等影响因素，采用ANSYS软件对蜗壳结构的自振频率和模态进行了分析．结果表明：当电站刚建成垫层未老化时，垫层平面包角、水体质量和水压力对钢蜗壳、混凝土结构以及整体厂房结构基频影响不大；而当电站多年运行垫层老化后在钢蜗壳与混凝土之间形成较大缝隙时，蜗壳内水体质量将明显降低钢蜗壳、混凝土结构以及整体厂房结构的自振频率，此时较大的垫层平面包角也会进一步降低结构自振频率；由于蜗壳内水压力膨胀作用引起的钢蜗壳刚度增大，将使钢蜗壳等结构自振频率有所提高，对结构抗振更为有利．由此可见，垫层蜗壳的抗振特性很大程度上依赖于垫层材料的长久稳定性，在垫层材料选择设计时必须予以重视．

[1] 张启灵，伍鹤皋，黄小燕，等．大型水电站不同埋设方式蜗壳结构分析[J]．水力发电学报，2009，28(3):85-90．

[2] 张运良，马震岳，程国瑞，等．水轮机蜗壳不同埋设方式的流道结构刚强度分析[J]．水利学报，2006，37(10):1206-1211．

[3] 袁达夫，谢红兵．大型混流式水轮机蜗壳的埋设方式[J]．人民长江，2009，40(16):37-39．

[4] 孙海清，伍鹤皋，李 杰，等．水电站蜗壳结构局部垫层平面设置范围探讨[J]．四川大学学报，2011，43(2)：39-44．

[5] 郝军刚，傅 丹，等．水电站直埋-垫层组合蜗壳结构受力特性分析[J]．武汉大学学报，2014，47(03)：306-310．

[6] 马震岳，董毓新．水轮发电机组动力学[M]．大连：大连理工大学出版社，2003．

[7] 马震岳，宋志强，陈 婧，等．小湾水电站地下厂房动力特性及抗震分析[J]．水电能源科学，2007，25(6)：72-74．

[8] 李振富，赵小娜，王日宣．万家寨水电站机墩组合结构动力分析[J]．水力发电学报，2004，23(2)：61-65．

[9] 周 伟，赵丽娟，李道广，等．高水头电站垫层式蜗壳自振特性分析[J]．水资源与水工程学报，2012，23(4)：171-175．

[10] 刘 波，伍鹤皋，李 冲，等．大型水电站地下厂房结构自振特性研究[J]．武汉大学学报：工学版，2011，44(4)：419-422．

AnalysisofSeveralFactorsAffectingNaturalVibrationCharacteristicsofSpiralCasewithCushionLayersofHydropowerStation

Huang Peng1Wu Hegao1Yu Xiaohua2Liu Jing2

(1. State Key Laboratory of Water Resources & Hydropower Engineering Science, Wuhan Univ., Wuhan 430072, China; 2. Powerchina Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065, China)

The natural vibration characteristics of spiral case will cushion layers of a underground powerhouse of hydropower station are analyzed by using the ANSYSsoftware to study the effects of the plane laying scope of cushion layer, cushion layer aging performance, water quality and hydraulic pressure expansion. The results show that when the cushion layer is unaging, the cushion laying scope, water quality and hydraulic pressure expansion have no significant influence on the natural vibration frequency of spiral case structure. However, the formation of large gap due to cushion layer aging and considering the water quality in the flow channel obviously reduces the natural vibration frequency of the steel spiral case and the concrete structure; but the increase of stiffness of steel spiral case due to hydraulic pressure expansion increases the natural vibration frequency, which is favorable for the structure anti-vibration. Therefore, it is necessary to pay attention to the choice of the cushion material for spiral case to ensure that its mechanical properties do not change with time.

spiral case of hydropower station; naturel vibration characteristics; water quality; hydraulic pressure expansion; cushion layer aging; cushion laying scope

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.05.008

2016-12-31

国家自然科学基金资助项目(51679175)

伍鹤皋(1964-)，男，教授，博士，研究方向为水电站压力管道、厂房结构．E-mail：wbf1988@vip.sina.com

TV731

A

1672-948X(2017)05-0038-05

[责任编辑王迎春]