巨型水轮机蜗壳垫层埋设方式和监测设计研究

伍文锋 税思梅

摘 要：溪洛渡水电站单机容量770 MW，最大水头226 m，蜗壳尺寸大、承受的内水压力高。为设计蜗壳合理的垫层方案，从改善蜗壳结构的受力状况出发，通过建立蜗壳三维有限元模型，进行线弹性计算和非线性有限元计算，对垫层厚度、包角和平面铺设范围以及蜗壳应力、钢筋应力、混凝土裂缝开展与宽度等物理力学指标进行分析，从而确定合理的垫层方案。在结构计算结果的基础上进行蜗壳安全监测设计。针对蜗壳不同结构形状、不同垫层方案选择监测断面;选用多种监测仪器对钢衬及外围混凝土应力、应变进行全面监测，以分析机组运行性态和评价机组运行安全情况。

关键词：水轮机蜗壳;垫层;埋设方式;溪洛渡水电站

中图分类号：TV734.1   文献标志码：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

隨着特大型水电站的不断涌现，大流量、高水头和技术的进步使得水轮发电机组容量不断增大，蜗壳的HD值（H为水头，D为蜗壳进口断面直径）也不断增大。蜗壳日趋向巨型化发展[1]。在建及将建的水电站机组容量越来越大，如溪洛渡水电站单机容量770 MW、向家坝水电站单机容量800 MW、白鹤滩和乌东德水电站单机容量1 000 MW。水电站蜗壳结构复杂，是一种特殊的钢衬钢筋混凝土结构[2]。对于巨型水电站高HD值的蜗壳，国内外多采用打压埋设方式，而垫层和直埋方式有明显的优点，但能否在巨型蜗壳结构中采用一直存在疑虑并缺乏工程经验[3]。袁达夫等[4-5]结合三峡工程的特点，总结了大型水轮机蜗壳各种埋设方式的特点，提出直埋-垫层组合方案是有应用前景的理想埋设方案。随着直埋-垫层组合方案在工程中的成功运用，该方案将成为水电站蜗壳埋设方式选择的发展趋势[6]。

笔者结合溪洛渡水电站工程建设实践，通过建立有限元计算模型，对垫层材料的铺设范围和物理力学指标等参数进行敏感性分析，从而确定合理的垫层设计参数。同时，根据计算成果，对关键部位的位移和应力进行监测，以掌握机组蜗壳在施工期、调试期及运行期等不同工况下的工作性态和安全状况。

1 工程概况

溪洛渡水电站采用地下式发电厂房，分左、右岸布置，两岸各装机9台、单机容量为770 MW的水轮发电机组，总装机容量13 860 MW。左、右岸地下厂房基本呈对称布置于坝轴线上游库区，厂房纵轴线方位分别为N24°W和N70°W。左右岸地下厂房分别由主机间、安装间、副厂房、主变室、9条压力管道、9条母线洞、9条尾水管及尾水连接洞、3条尾水洞、2条出线井及通排风系统、防渗排水系统等组成，构成以三大洞室为主体、纵横交错、上下分层的大规模地下洞室群。

溪洛渡电站蜗壳均按独立承受包括升压水头在内的最大工作水压设计。单机引水流量为423.8 m3/s，最大水头为226 m，最小水头为155 m。该电站蜗壳尺寸大，承受的内水压力大，HD值达1 700 m2。钢蜗壳和座环分别采用ADB 610D和S550Q钢材，混凝土结构主要采用C25、C20混凝土，各材料力学参数见表1。

2 机组蜗壳垫层埋设方式研究

蜗壳垫层方案具有减小外围混凝土结构承担的内水压力、方便施工、提高混凝土浇筑质量等优点。付洪霞等[7-12]研究表明，合适的垫层方案有利于改善蜗壳结构的受力状况。通过建立有限元计算模型，选择不同的垫层厚度、垫层包角、垫层平面铺设范围等，分别对溪洛渡机组蜗壳钢筋配置、混凝土裂缝开展与宽度，以及蜗壳刚度等进行了敏感性分析，在此基础上确定蜗壳垫层方案。

2.1 分析内容

（1）弹性垫层铺设厚度。选择弹性垫层铺设厚度2.0 cm为基本方案，2.5、3.0 cm为比较方案。

（2）弹性垫层包角。选择从蝶形边往外约1.5 m延伸到腰线处为基本方案，从蝶形边往外约1.5 m延伸到腰线以下15°处为比较方案。

（3）弹性垫层平面铺设范围。选择沿水流向垫层铺设至蜗壳135°断面为基本方案，沿水流向垫层铺设至蜗壳150°断面、90°断面、45°断面为比较方案。

2.2 模型建立

计算模型从锥管底高程346.10 m取至机墩顶高程368.76 m，模拟下机架进人廊道、射流器坑、冷却器坑、接力器坑、水轮机机坑（设两个进人廊道）、蜗壳进人廊道、尾水管操作廊道、锥管进人廊道等孔洞。蜗壳有限元模型见图1。

2.3 计算结果及分析

2.3.1 线弹性计算

考虑到蜗壳最大内水压力为2.87 MPa（包括水击压力），线弹性计算时作用在蜗壳内的水压力取2.87 MPa。根据计算结果，整理了沿水流方向进口断面（0°断面，见图2）、45°断面、90°断面、135°断面及180°断面蜗壳外围混凝土在子午断面内蜗壳顶部、腰线上45°、腰线处混凝土内侧、腰线下45°、蜗壳底部、腰线处混凝土外侧共6个特征点的环向应力值，特征点编号见图2。

选择垫层厚度为2.0、2.5、3.0 cm进行计算，最大应力见表2。从表2可以看出，在改善外围混凝土拉应力方面，不同垫层厚度相差很小，从节约材料和便于施工的角度考虑，垫层厚度为2.0 cm的方案最优。

选择垫层包角至腰线处和至腰线下15°两种方案计算典型断面各特征点应力，见表3。从改善蜗壳外围混凝土环向拉应力角度看，垫层下端铺设至腰线下15°与垫层铺设到腰线处相比，在垫层铺设区域确实降低了蜗壳腰线上45°、蜗壳顶部及底部等位置的混凝土拉应力，但降低幅度不大，特别是在腰线部位应力改善幅度更小;在未铺设垫层区域，两种垫层包角方案差别不大。从节省材料及便于施工角度考虑，垫层包角至腰线处方案最优。

2.3.2 非线性有限元计算

（1）钢筋应力。在比较了垫层厚度和包角的基础上，通过非线性有限元计算选择垫层的平面铺设范围。选择垫层铺设至90°、135°、150°三种方案。非线性有限元分析主要进行正常使用极限状态验算，考虑到蜗壳正常运行工况最大内水压力为2.41 MPa，取内水压力为2.41 MPa。

铺设垫层区域钢筋拉应力一般低于未铺设垫层区域的，说明垫层铺设效果明显，见表4。垫层平面铺设范围越大，内层环向钢筋应力越小，混凝土开裂区域越小。

（2）裂缝宽度。根据钢筋应力，主要計算了各铺设方案下钢筋混凝土内由环向拉应力所产生的径向裂缝宽度。垫层铺设至90°、135°、150°（垫层平面铺设范围，沿水流方向的断面），混凝土最大裂缝宽度分别为0.371、0.274、0.235 mm。从最大裂缝宽度限值0.3 mm来看，垫层铺设至135°或150°均可满足要求，垫层铺设至150°方案最大裂缝宽度最小。垫层铺设至150°蜗壳外围混凝土的开裂范围见图3。

（3）钢衬应力。在铺设垫层的区域和未铺设垫层的区域，各方案相比，钢衬应力相差不大。最大应力为130 MPa。钢衬的等效应力从蜗壳进口断面开始随着管径的减小，钢衬应力整体上表现为减小趋势。上半部铺设了垫层，使得钢衬承担了更大比例的内水压力;上半部钢衬的等效应力大于下半部的。

（4）垫层铺设范围选择。根据非线性有限元计算结果，对比分析钢筋应力、裂缝宽度、钢衬应力等指标，可以得出垫层平面铺设至135°和150°都是可行的。

2.4 垫层方案

综合线弹性计算、非线性有限元计算结果，最终确定溪洛渡水电站机组蜗壳垫层采用组合方案的埋设方式：厚度为（20±0.2） mm的聚氨酯软木材料垫层（弹性模量为2.5 MPa），垫层包角至腰线处，垫层铺设范围选择135°或150°两种方案。

3 安全监测设计

蜗壳体型复杂，荷载传递方式和内力分配难以确定，必须通过原型观测取得钢筋和蜗壳应力、接缝开度等数据，用于掌握机组运行状态，并为指导施工和改进设计提供依据。於三大等[13-16]对水轮机组蜗壳的原型观测应力、开度等数据进行了分析，为后续蜗壳原型观测设计提供了参考和借鉴。现根据蜗壳的埋设方式，结合模型计算结果，对溪洛渡蜗壳原型观测设计方案进行研究。

3.1 监测目的

通过对流道（压力管道、蜗壳及过渡板等）应力、蜗壳与混凝土间的相对变形、蜗壳外围混凝土及钢筋的应力应变等项目进行监测，结合蜗壳结构计算结果，分析机组运行性态和评价机组运行的安全情况。

3.2 监测内容

根据溪洛渡水电机组蜗壳埋设方式的特点，选择的蜗壳监测项目和内容：压力钢管、蜗壳及过渡板应力，蜗壳与外围混凝土之间缝隙开度，压力钢管、蜗壳外围混凝土钢筋应力及应变。

3.3 监测仪器布置原则

根据蜗壳的结构特点，蜗壳处监测仪器测点布置主要考虑以下原则：测点布置力求全面反映蜗壳应力、开度变形等的完整分布情况，并确保监测数据完整和可靠;测点布置以蜗壳及过渡板应力、蜗壳与混凝土间开度、外包混凝土的应力及应变和钢筋应力等为主。

3.4 监测方案

以尽量少的机组台数满足监测要求，从而节约投资，减少施工干扰是监测设计的首要问题[17]。共选择了5台机组蜗壳进行监测，监测方案基本相同。现以1号机组为例进行阐述。

（1）监测断面布设。1号机组沿蜗壳进口、蜗壳垫层、蜗壳（未铺设垫层）处选择A—A、B—B、C—C共3个监测断面，对蜗壳不同结构形状、不同垫层方案部位进行监测，见图4。

图4 1号机组蜗壳监测断面布置（数字表示蜗壳分节序号）

（2）监测仪器布置。主要布置了测缝计（用符号JS表示）、钢板应变计（用符号RP表示）、钢筋计（用符号RS表示）、混凝土应变计（用符号S4表示）、无应力计（用符号S表示）等监测仪器。测缝计用于监测钢蜗壳与外围混凝土之间接缝开度，可分析蜗壳与外围混凝土分担蜗壳内水压力的情况;钢板应变计用于监测蜗壳环向和流向的应力变化，以此来监测蜗壳的安全稳定性;钢筋计用于监测外围混凝土-内外层钢筋的应力变化;混凝土应变计和无应力计用于监测外围混凝土的应力变化。根据有限元计算结果，仪器主要布设在特征点1（顶部）、3（腰线处）、5（底部）等部位，仪器布置见图5。

图5 监测仪器布置

4 结 语

溪洛渡水电站单机容量770 MW，最大水头226 m，蜗壳尺寸大、承受的内水压力大。通过线弹性计算和非线性有限元计算，确定了溪洛渡蜗壳垫层厚度（20±0.2）mm，垫层包角至腰线处，垫层铺设范围选择135°或150°垫层平面铺设范围两种方案。在结构计算的基础上进行蜗壳安全监测设计。针对蜗壳不同结构形状、不同垫层方案选择监测断面，采用多种监测仪器有针对性地对蜗壳应力、蜗壳与外围混凝土之间缝隙开度、外围混凝土钢筋应力及应变等进行监测，最终达到了全面监测的目的，为分析机组运行性态和评价机组运行的安全性奠定了基础。

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【责任编辑 吕艳梅】