績溪抽水蓄能電站蝸殼外圍混凝土結構有限元分析設計研究

王錦鋒，孫金輝，陳 鵬

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 問題的提出

蝸殼外圍混凝土結構作為抽水蓄能電站廠房的核心結構，直接承受水力荷載、機組及上部結構下傳的荷載，與常規電站相比，抽水蓄能電站具有機組水頭高、容量大、安裝高程低、轉速高以及雙向運行等特點。同時由于水頭高、蝸殼承受的內水壓力大，故均采用鋼蝸殼。蝸殼外圍混凝土結構作為廠房上部結構的基礎，應合理設計以滿足結構受力和機組運行穩定的要求。本文針對績溪抽水蓄能電站的特點，對其蝸殼外圍混凝土結構進行有限元結構分析，同時對其設計要點做簡要介紹，以期對同類電站的蝸殼外圍混凝土結構設計提供有益參考。

2 結構布置

安徽績溪抽水蓄能電站總裝機1 800 MW（6×300 MW），安裝6臺單機容量為300 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪發動機組。發電機機額定轉速為500 r/min，飛逸轉速為725 r/min；水輪機轉輪拆卸方式為上拆，固定導葉和活動導葉數為16個，轉輪葉片數為10個（5個長葉片和5個短葉片），水輪機鋼蝸殼各管節厚度25 ～ 56 mm，機坑里襯厚度12 mm，尾水管里襯厚度為24 mm。

蝸殼外圍混凝土結構設計最大尺寸約為17.10 m×15.10 m×8.20 m（長×寬×高），上游左側采用圓形轉角設計，半徑為6.80 m，結構平面最小厚度約2.00 m，采用垂直進廠方式。蝸殼外圍混凝土結構分2期設計，一期結構下游側緊靠圍巖布置，以提高其結構剛度。一期混凝土結構上游左側設尾水管進人廊道，二期混凝土結構直徑為5.70 m和7.30 m，具體結構見圖1 ～ 2。

圖1 混凝土結構橫剖面圖 單位：mm

圖2 混凝土結構平面圖 單位：mm

3 蝸殼外圍混凝土結構有限元分析

3.1 有限元模型

為更真實地模擬蝸殼外圍混凝土結構邊界條件，以中間標準機組段為對象建立廠房整體有限元模型，機組段長度為22.50 m，寬度為24.30 m。模型高度上考慮發電機層樓板頂部至尾水管結構底部高程，總高度為29.00 m。為模擬廠房圍巖對整體結構的影響，在尾水管混凝土結構底部以下建立5.00 m范圍的巖石。在計算范圍內，對廠房各部位結構均按實際尺寸進行模擬。模型上游、下游與圍巖連接的邊界節點加法向的彈性鏈桿以模擬圍巖的約束作用，彈性鏈桿的剛度與圍巖的單位抗力系數成正比；機組段之間設有永久分縫，因此模型兩側混凝土邊界按自由面考慮。計算模型中圍巖各邊界施加法向約束，底部施加全約束。根據李勝軍等人[1]的研究成果，采用蝸殼和混凝土共節點的簡化算法。廠房混凝土結構整體模型及蝸殼座環模型見圖3 ～ 5。

NB/T 35011 — 2013《水電站廠房設計規范》[2]建議蝸殼充水加壓的壓力控制在機組最大靜水頭的0.5 ～ 1.0倍。為保證在最小水頭運行時外圍混凝土結構與鋼蝸殼仍可緊密接觸，以保證整體結構具有較高的剛度，減小結構振動，充水保壓值不宜過高[3-4]?？兿娬疚仛ぷ畲笤O計內水壓力為10.00 MPa（包括水擊壓力），最大靜水壓力7.30 MPa，故取保壓值3.65 MPa和5.00 MPa進行分析。

圖5 鋼蝸殼及座環網格圖

圖3 整體模型網格圖

圖4 廠房混凝土結構網格圖

3.2 材料參數

績溪抽水蓄能電站地下廠房蝸殼外圍混凝土結構主要采用C30混凝土（座環和蝸殼支墩基礎采用C60非收縮混凝土，為簡化計算，模型中均按C30考慮）。根據地質勘測資料可知，圍巖為III類圍巖，圍巖單位彈性抗力系數取70 MPa/cm。各類材料物理力學參數見表1。

表 1 材料參數表

3.3 計算工況

蝸殼外圍混凝土結構計算分析考慮實際運行時的外部荷載及邊界條件。聯合承載計算時考慮廠房施工和機組安裝的順序，第一步施加與水荷載無關的荷載，即廠房完建時的荷載，包括結構自重、機組設備荷載和各樓層活載（簡稱水荷載作用前）；第二步施加與水荷載有關的荷載：蝸殼內水壓力、尾水管內水壓力（簡稱水荷載作用后）。第二步減去第一步的計算結果，代表單純蝸殼內水壓力作用的結果，用以分析機組運行時定子基礎、下機架基礎等部位的位移變化及對機組運行的影響。主要計算的承載能力極限工況見表2（計算中不考慮溫度作用）。

表2 蝸殼有限元計算工況表

3.4 有限元計算結果分析

根據有限元計算結果，將蝸殼外圍混凝土結構分為10個典型子午斷面（見圖6 ～ 7），整理鋼蝸殼外圍混凝土的應力和位移成果。正常運行工況下，A1 ～ A4方案蝸殼外圍混凝土的應力分布相似，從計算結果可以看出，蝸殼外圍混凝土的應力分布相對比較均勻。由于鋼蝸殼與外圍混凝土聯合承受的水壓力較高，各斷面的環向應力和蝸向應力以受拉為主。直管段1#、2#、3#、4#斷面由于管徑相對較大，環向應力相較于其他斷面要大。隨著鋼蝸殼和混凝土聯合承受水頭的增加，混凝土拉應力也隨之增大。A2方案聯合承載的水壓力最大，為6.35 MPa，該方案下各斷面環向最大拉應力值為6.16 MPa，出現在5#斷面頂部內緣點。環向應力以受拉為主，各方案應力數值均不大（見圖8）。

機組檢修工況下（A5），蝸殼外圍混凝土拉應力水平較小，整體上未出現超過混凝土抗拉強度標準值的拉應力，混凝土拉壓應力均未超設計強度。

各工況部分典型斷面特征點應力見表3。

圖6 典型斷面位置圖

圖7 混凝土特征點位置圖

圖8 A2工況各斷面環向應力圖 單位：MPa

表3 部分典型斷面特征點應力表 MPa

在正常運行工況下，A3、A1、A4、A2四個方案，鋼蝸殼和混凝土聯合承載的內水壓力分別為2.30，3.65，5.00，6.35 MPa，依次增大。計算結果顯示，隨著聯合承載內水壓力的不斷增大，蝸殼外圍混凝土開裂范圍呈增大趨勢。A3方案聯合承載內水壓力最小，蝸殼外圍混凝土基本沒有出現開裂區，A1、A2、A4方案蝸殼外圍混凝土開裂范圍較大，開裂區集中在鋼蝸殼一定范圍的外包混凝土、上下座環附近混凝土、尾水錐管附近混凝土。檢修工況下，蝸殼外圍混凝土未超過混凝土抗拉強度的范圍。圖9 ～ 10為正常運行工況A2和檢修工況A5超過混凝土抗拉強度范圍圖，未出現貫穿性開裂，從裂縫控制角度而言，說明蝸殼外包混凝土厚度足夠，設計是合理的。

圖9 A2方案蝸殼外圍混凝土最大主應力超過抗拉強度標準值的范圍圖

圖10 A5方案蝸殼外圍混凝土最大主應力超過抗拉強度標準值的范圍圖

根據線彈性計算的蝸殼外圍混凝土應力結果，整理典型斷面配筋截面上的合力T，然后依據DL/T 5057 — 2009《水工混凝土結構設計規范》[5]附錄D中的拉應力圖形法進行配筋。經計算，直管段最大配筋截面面積17 928 mm2/m，直管段之后的最大配筋截面面積8 820 mm2/m。蝸線方向根據構造要求配置鋼筋即可。參考仙居、洪屏等類似抽水蓄能電站蝸殼外圍混凝土結構配筋方案，最終確定配筋方案。環向：自進口段至蝸殼180°斷面，3排Φ32@200 mm，外側配置2排Φ28@200 mm；蝸殼180°斷面以后內側配置1排Φ32@200 mm和2排Φ28@200 mm，外側配置2排Φ28@200 mm。水流向：內側配置3排Φ22，外側配置2排Φ25@200 mm（水平向）。徑向：配置Φ16@400 mm×400 mm的構造分布筋。

4 座環和蝸殼支墩結構

績溪抽水蓄能電站于機組安裝高程以下1.80 m處設置施工縫，其上設置環形座環支墩以及16個蝸殼支墩（離散式支座）。同時，為確保施工縫層間混凝土結合良好，于施工縫面設置鍵槽，鍵槽深度200 ～ 300 mm。座環支墩和蝸殼支墩作為直接承受水輪機機組和蝸殼荷載的結構基礎，為確?；A結構具備較高的強度及抗裂性，采用非收縮C60混凝土。同時，為保證蝸殼底部和陰角部位混凝土澆筑密實，確保蝸殼和外圍混凝土能夠有效地聯合承載，避免因空腔而產生應力集中，利用預埋灌漿管進行回填灌漿，布置見圖11。

圖11 支墩結構和回填灌漿典型示意圖

5 結 語

抽水蓄能電站蝸殼外圍混凝土結構復雜，是整個電站廠房結構設計的重點和難點，合理的設計對電站的使用安全起著至關重要的作用。本文基于績溪抽水蓄能電站實際情況，簡要介紹混凝土結構布置、有限元計算分析、座環支墩和蝸殼支墩結構以及回填灌漿等設計要點，對同類工程具有一定參考意義。