三峡右岸电站15号机组蜗壳采用直埋方案探讨（李丹,廖远志,张新宁,赵楠）

时间：2022-02-25 15:27:20 浏览量：次

摘要: 三峡右岸电站厂房15号机组蜗壳直埋方案的研究，其分析方法是:根据该方案线弹性三维有限元计算结果，配置蜗壳外围混凝土结构所需的钢筋，根据此配筋示意图，进行蜗壳与外围钢筋混凝土结构联合受力的非线性三维有限元分析。其分析又分为静力分析与动力分析两种。研究结果表明，采用直埋方案蜗壳外围混凝土结构内水压力承载比高，配筋量大，对混凝土结构的长期安全运行仍有需深入研究的问题。

关键词: 蜗壳;钢筋混凝土结构;直埋方案;三峡水电站

中图分类号: TK730.3+12 文献标识码: A

蜗壳在既不充水加压也不敷设软垫层的条件下直接埋入混凝土中而形成蜗壳外围混凝土结构的方法简称为直埋方案。目前世界上已建成的单机容量700MW左右的巨型水电站中，采用此种蜗壳埋入方式的工程仅前苏联的萨扬舒申斯克水电站。但萨扬舒申斯克水电站是在当时受一些客观条件的限制，而采用此方案的。采用直埋方案（即完全联合承载蜗壳）主要目的之一是用钢筋混凝土结构来替代金属蜗壳的高强钢板承受高内水压力的作用，因而可以减薄钢板厚度，缓解钢蜗壳的技术难度，取得以钢筋取代钢板的效益，混凝土中所埋入的金属蜗壳仅起防渗的作用。采用这个方案，钢筋混凝土结构的安全性自然就摆在非常重要的位置上了，因为混凝土结构在内水压力及其他荷载组合作用下如果不能保证其安全，则以蜗壳外围混凝土结构为基础的700MW水轮发电机组的安全稳定运行就难以保证，以此为基础的厂房上部结构的安全也难以保证。

1 三峡电站蜗壳埋入方式简述

与萨扬舒申斯克水电站不同，三峡水电站金属蜗壳是承受内水压力的主体结构，它是按明管设计的，即金属蜗壳按独立承受百分之百设计内水压力，选择高抗拉强度的厚钢板材料制作的。三峡左岸电站发电机组经过国际招标，由世界上水轮发电机组设计制造较先进的ALSTOM集团、VGS集团中标，负责设计制造金属蜗壳。为保证金属蜗壳结构的安全，其承包商应根据机组招标合同文件及国际通用的安全标准提出一系列的设计制造、安装工艺、质量检测等要求。可以说三峡电站金属蜗壳的设计制造、材料选取、焊接安装、质量检测等各方面都必须能够满足独立承担百分之百设计内水压力的要求。金属蜗壳无需让外围混凝土结构分担内水压力来保证其强度安全。

在此前提条件下，应该让钢筋混凝土结构尽可能少的承担内水压力，其结构的安全性更容易实现，从而使700MW巨型水轮发电机组的安全稳定运行及厂房上部结构安全得到保证。在三峡工程中，蜗壳埋入方式采用充水保压浇筑混凝土方式和敷设软垫层浇筑蜗壳外围混凝土的方式，均以减小混凝土结构承担内水压力，保证机组在任何运行工况下长期的安全稳定运行为主要设计目标。采用保压方案和垫层方案对按明管设计的金属蜗壳来说，由于在蜗壳与混凝土之间提供了蜗壳受内水压力作用后可产生不影响其安全的、预定的变形空间，因而使得金属蜗壳能够单独发挥其高抗拉强度和良好的抗疲劳性等性能。同时蜗壳外围混凝土结构所承担的内水压力大幅减小，使整体的蜗壳及其外围混凝土结构受力分配得当，建筑材料的使用上做到扬长避短、安全合理。

三峡电站厂房蜗壳外围及其外围混凝土结构设计中，根据结构承载HD值大、蜗壳直径大、单机容量大、装机台数多且布置紧凑等特点，混凝土结构的尺寸不可能选得过大。无论采用垫层方案或保压方案都是根据其结构的特点进行了充分的论证和研究后，才付诸于工程实施。且研究和实践都表明三峡电站厂房蜗壳及其外围混凝土结构采用垫层方案或保压方案都合适。在三峡电站蜗壳埋入方式的选择上之所以没选择直埋方案，主要考虑到由于直埋方案蜗壳与混凝土之间几乎无间隙，蜗壳在内水压力作用下无单独发挥其承载能力的空间，只能起到将内水压力传递给外围混凝土结构的作用，无法发挥钢蜗壳自身的承载能力，若如此钢蜗壳仅能起到防渗作用，则不必要按明管设计。在保证外围混凝土结构安全的前提下，即使允许外围混凝土结构产生一定的裂缝，但其提供给蜗壳产生变形的空间几乎是微乎其微，与此同时蜗壳外围混凝土结构则承担了绝大部分的内水压力荷载。三峡电站蜗壳外围混凝土结构厚度相对蜗壳大直径来说比较薄，混凝土材料本身的抗拉强度远远不及高强钢板，由内水压力作用在混凝土结构中产生的高拉应力，几乎全部由混凝土结构中所配置的钢筋来承担。然而在蜗壳外围混凝土结构（即使被称之为水电站厂房的大体积混凝土结构）中大量配置钢筋会造成机坑内管路埋设布置困难和混凝土施工困难，混凝土施工质量难以保证。为减少钢筋的根数和层数可参照萨扬舒申斯克水电站该部位的配筋方式，采用大直径的钢筋（如60、70mm直径），但三峡电站在该部位与之不同的是在蜗壳外围及机坑里衬外围混凝土中布置有许多大直径（400、600、800、1000mm等直径）的管路，这些大直径管路与大直径钢筋相遇发生矛盾时，在钢筋构造上是难以避让的。因此在三峡电站厂房采用蜗壳直埋方案相对垫层方案或保压方案来说，对蜗壳外围混凝土结构设计增加了不少需要解决的技术难题。

2 采用直埋方案机组段的选择与研究方法

三峡电站厂房蜗壳及其外围混凝土结构是个复杂的、异形的三维空间结构，在对其结构进行分析研究时，一般采用三维有限元方法分析。以上对垫层方案、保压方案、直埋方案的论述都是基于对其结构进行线弹性三维有限元分析方法进行计算分析得出的结论。由于其结构的计算模型、计算条件、边界条件等都很复杂，尤其是钢筋混凝土属非线性材料，即使采用线弹性三维有限元分析结果已能满足工程实际的需要，但要获得该结构更精确的解答，必须依靠科学技术的进步和发展。随着当前计算机技术的进步，先进的、功能强大的工程计算软件的开发和应用，许多复杂的工程实际问题能够获得较精确的、更符合实际的解答，为从理论上对三峡电站蜗壳采用直埋方案进行更深入地（线性或非线性的、静力或动力的三维有限元）分析、探讨、论证及优化提供了条件。

2005年在国务院三峡工程质量检查专家组建议下，受三峡总公司委托，选择三峡右岸电站厂房1台机组做蜗壳直埋方案研究工作。由长江水利委员会设计院牵头，联合长江水利委员会长江科学院、大连理工大学、河海大学、武汉大学、中国水利水电科学研究院等科研机构展开了该方案的研究工作。从不影响当时三峡右岸电站施工进度以及给研究和实施留有一定时间的角度出发，选择了15号机组作为研究对象。事实上，从设计对三峡电站蜗壳外围混凝土结构的研究结果可知，也只有15号机组具有蜗壳采用直埋方案的可行性。因为在三峡右岸电站厂房中15号机组为边机组，机组段总宽度为42.4m（其他标准机组段为38.3m），其蜗壳进口段左侧混凝土结构厚度较其他标准机组段厚4.1m，如果将该部位蜗壳外围一期混凝土结构与二期混凝土结构相结合作为整体结构来考虑，在相同的计算条件下，混凝土结构中所产生的最大拉应力较其他标准机组段小，适当地配置一定数量的钢筋，其结构采用直埋方案是可行的。

15号机组蜗壳直埋方案的研究分析方法是:首先由设计根据该方案线弹性三维有限元计算结果，采用主拉应力分布图形中的主拉应力面积值，在满足结构承载能力要求的情况下，配置蜗壳外围混凝土结构所需的钢筋。根据此配筋示意图，进行蜗壳与外围钢筋混凝土结构联合受力的非线性三维有限元分析。也就是说其非线性三维有限元分析是进行该结构的正常使用极限状态的分析。对结构分析的要求是在标准荷载作用下，钢筋混凝土结构不出现贯穿性裂缝，允许裂缝开展宽度不超过0.3mm。其分析又分为静力分析与动力分析两种。

静力分析主要获得以下结果:

（1）在标准荷载作用下金属蜗壳、混凝土、钢筋的应力、变形;

（2）在标准荷载作用下钢筋混凝土结构中混凝土裂缝的产生和发展过程、裂缝分布范围和裂缝开展宽度;

（3）探讨在标准荷载作用下结构的各不同断面金属蜗壳、混凝土、钢筋在联合受力结构中各自的承载比;

（4）根据静力计算结果的裂缝分布状态，概化裂缝的分布和形态，研究混凝土开裂后整体结构中座环柔度的变化趋势;

（5）研究在重复荷载作用下对结构应力、变形、裂缝发展趋势的影响;

（6）探讨对结构钢筋布置进行优化的措施。

由于静力分析计算模型中钢筋用量及布置是根据其结构满足承载能力的要求配置的，因此在结构的正常使用极限状态分析中所计算出的钢筋应力相对较低是可能的。且线弹性三维有限元分析无法得出钢筋的应力和裂缝的开展宽度，而非线性三维有限元计算虽然可知结构中的钢筋应力，混凝土是否开裂也可由计算程序根据每次迭代计算后，其拉应力是否超过混凝土的标准抗拉强度来判别，但是工程应用中所关注的混凝土裂缝宽度值则在通常情况下由于单元划分精度不够而难以准确地获得。有些研究单位采用《水工混凝土结构设计规范SL/T191-96》中关于钢筋混凝土构件正常使用极限状态正断面裂缝宽度的验算公式，将非线性有限元计算得出的受拉钢筋应力代入其公式中算出裂缝宽度来。但应当指出的是这个公式只适用与杆件系统钢筋混凝土构件，而象蜗壳外围混凝土结构这类非杆件体系钢筋混凝土构件，这个公式是不适用的。有许多的工程实例表明，采用此公式计算得出的裂缝宽度值与非杆件体系钢筋混凝土构件工程实测裂缝发生值相差较大，且实测裂缝发生值比采用此公式的计算值可能大出若干倍［1］，这对工程实际应用是偏于不安全的。因此对该钢筋混凝土结构不允许出现贯穿性裂缝的要求通过非线性三维有限元分析是可以得出明确的结论的，但不超过0.3mm裂缝宽度的要求结构能否满足，仍不能得到符合实际的精确答案。

三峡水电站担任调峰任务，在运行中具有水头变幅大，开停机频繁等特点，其水轮机外形尺寸和重量是混流式水轮机之最，一旦发生振动能量巨大。为了确保机组在各种工况下的安全稳定运行，除机组自身不发生强烈振动或自激振动以及保证水力发电机设备和各部件的使用寿命外，还必须使厂房混凝土结构在水压力脉动和水力机械振动的激振力作用下，不会产生整体或局部的共振和破坏及保持混凝土结构的整体性、抗疲劳性及耐久性。

采用非线性三维有限元做动力分析，首先应当说明的是目前所通用的工程分析运用软件对该问题还不能有较方便的、准确的、成熟的分析方法，并得出工程设计可作为依据的可靠的结果来。因为它无法模拟出钢筋混凝土这种非线性材料在动、静荷载组合作用下，裂缝的展开、延伸、贯穿、结构应力的调整和演变的动态过程。分析研究时只能先根据三维非线性有限元静力计算的分析结果中裂缝分布的状态，假定和概化出若干条混凝土结构可能产生的裂缝及其分布和形态后，再以此为依据建立计算模型，开展该结构在机组振动激振力（机械、电磁和水力脉动等）荷载作用下的动力响应分析及动应力分析。且整体结构的自振频率、座环柔度等问题的解答，也都是采用经过假定和概化后的模型计算得出的。尽管如此，其计算结果对实际工程的运用还是具有一定的预见性和可参考性的。

此外，武汉大学和长江科学院对15号机组蜗壳直埋方案进行了1∶12比尺的物理模型试验。但由于其物理模型试验结果的相似性、准确性和模拟的真实性及灵活性都远不及采用数学模型模拟的计算结果（无论是动态还是静态的模拟）。因此对蜗壳及其外围混凝土结构经过许多工程实例的应用和考证，数学模型计算结果在工程中的运用和可参考性已逐渐地替代了物理模型试验结果。

3 研究结果的分析和结论

三峡电站700MW巨型机组是放置在蜗壳外围混凝土结构上，而不是直接放置在钢蜗壳上，因此蜗壳外围混凝土结构是700MW巨型机组的主要承载体，同时也是电站厂房上部结构的主要承载体和基础。由于混凝土是抗拉性能差的材料，蜗壳外围混凝土结构要靠配置适量的钢筋来承担拉应力。因此蜗壳外围混凝土结构应在满足机组安全运行的情况下，由承担内水压力引起的混凝土结构中的拉应力应尽可能小，使结构在适量配筋的情况下，其承载能力更容易满足。采用蜗壳直埋方案的计算结果表明，钢筋混凝土结构所承担内水压力的平均承载比约85%（线弹性结果接近90%，非线性结果约85%，物理模型试验中在标准荷载作用下混凝土有多条裂缝产生时，外围混凝土结构的平均承载比依然为85.5%～91%）。这是因为在蜗壳与混凝土紧密结合情况下，其各自的承载比与两者结构的刚度比相关，外围混凝土结构的刚度大大地大于金属蜗壳的刚度，所以采用直埋方案钢筋混凝土结构内水压力承载比无疑是很高的。即使采用非线性三维有限元分析时考虑了混凝土产生裂缝的影响，但依靠混凝土结构安全所允许的微小裂缝来大幅降低钢筋混凝土结构的承载比是不可能的。因此若选择蜗壳直埋方案，蜗壳外围钢筋混凝土结构的安全性是由其自身的承载能力决定，而与金属蜗壳是否按明管设计关系不大。正因如此，萨扬舒申斯克水电站才可以将蜗壳的材质选择为相对强度较低、厚度较薄的钢板。

由于三维非线性有限元分析计算是以混凝土结构的正常使用极限状态进行分析验算，其结构采用强度标准值来判别混凝土是否出现裂缝，然而同标号混凝土的强度标准值大于其强度设计值，而计算采用的为荷载标准值而非设计值且低于其设计值。因此计算结果中5层直径40mm环向钢筋应力一般在50～120MPa，特殊部位如蜗壳进口直管段其环向钢筋应力一般在130～150MPa，钢筋的拉应力值与其允许拉应力（190MPa）值相比有较大的余度，其主要原因在于用正常使用极限状态验算时混凝土本身仍承担了相当多的拉应力。但出现这样的结果并不意味着钢筋混凝土结构设计可用正常使用极限状态验算结果来减少配筋量。

根据三维非线性有限元分析结果可知，即使象15号机组这种混凝土结构尺寸相对较大的机组段，采用直埋方案时如果不采取一定的结构加强措施和局部降低混凝土承载比的措施，仅靠增加配筋量不能控制住混凝土中产生贯穿性裂缝。此外，由于蜗壳及其外围混凝土结构为不对称结构，内水压力所产生的结构的上抬变形（下机架基础上抬变形和定子基础上抬变形）也是不对称的。在垫层方案和保压方案中，混凝土结构的内水压力承载比较小，由此产生不均匀的结构上抬变形量较小;在直埋方案中，混凝土结构的内水压力承载比大，由此产生不均匀的结构上抬变形较大。采用非线性三维有限元计算时，直埋方案在混凝土产生裂缝情况下，该结构的不均匀上抬变形量问题尤其突出。而较大的混凝土结构不均匀上抬，作为水轮发电机的基础来说，对其安全稳定的运行影响显然是不利的。为此设计采取了将蜗壳上部混凝土中高程63.7～65.5m范围将其标号由C250提高至C400，将蜗壳进口直管段至机组中心线X轴顺流向下游45°范围蜗壳上部表面敷设厚度为3cm的软垫层的实施方案。采用此优化方案，不仅可抑制该结构贯穿性裂缝的产生，保持结构的完整性，使裂缝发生较多的蜗壳进口直管段部位减少不必要的配筋量，还可使蜗壳上部混凝土结构不均匀上抬变形量减小至接近垫层方案和保压方案非线性三维有限元计算结果值，以保证机组的安全稳定运行。

直埋方案动力研究结果表明，混凝土结构的动力响应即振动位移、均方根速度和加速度、动应力等值均比保压方案和垫层方案大。这是由于采用直埋方案时，钢筋混凝土结构将金属蜗壳“抱紧”而更多地吸收了机组的激振能量。也正因为如此直埋方案钢筋混凝土结构更应加强其承载能力，而不是将其削弱。由裂缝概化后的模型得出的座环柔度计算结果表明，柔度值随贯穿性裂缝的出现而增大，柔度的增大，意味着结构整体刚度的降低。因此直埋方案的混凝土结构应避免贯穿性裂缝的产生和发展;同时其混凝土结构吸收和释放机组产生的激振能量，不应以钢筋混凝土结构产生更多的贯穿性裂缝作为代价。由此可知如果采用垫层方案，将机组产生的大部分激振能量（尤其是水力脉动能量）吸收和释放在软垫层中，对蜗壳及其外围混凝土结构设计来说似乎更为合理。

起着调峰作用的三峡电站，由其过渡过程的不稳定工况如关停机、甩负荷等产生的水压力脉动升高值对混凝土结构产生的疲劳影响也是不容忽视的。对于调峰电站，其关停机工况每日至少1次，有可能多次。其水击水头虽然小于100%甩负荷时产生的水击水头，但由于三峡电站机组容量大，其关停机时产生的脉动能量对采用直埋方案的蜗壳及其外围混凝土结构的作用应做认真分析，以保证整体结构的长期安全。对于按明管设计的流道，机组制造商对其设计的金属蜗壳等部件应进行抗疲劳分析。如左岸电站机组制造商VGS集团以较保守的设计条件对其进行疲劳验算时，假定金属蜗壳最小使用年限为60a，按机组每年做1次放空检修、每天4次关停机，60a共87600次水击（水击压力升高值按甩负荷时产生的最大值考虑）的情况下，所做出的蜗壳疲劳验算结果表明其使用年限可大大地超过60a。由此可见三峡电站金属蜗壳所采用的材料具有非常好的抗疲劳性能。对右岸电站明蜗壳的疲劳分析（由哈尔滨电机有限责任公司、东方电机有限股份公司、长江科学院、大连理工大学等单位的研究分析结果）结论与左岸电站相同。在明管设计条件下三峡电站目前采用的金属蜗壳等部件不存在疲劳问题，那么埋入混凝土后（无论是直埋方案、垫层方案或保压方案），也不存在金属蜗壳等部件疲劳问题。由于直埋方案蜗壳与混凝土结构的紧密结合使钢筋混凝土结构承载比大大地高于金属蜗壳，同时还要承担由于机组产生的压力脉动和机械振动的激振荷载，由此导致钢筋混凝土结构的疲劳问题不应被忽视。已产生裂缝的混凝土材料的抗疲劳性显然不能与金属蜗壳的高强钢板相比。虽然目前尚无对非杆系混凝土结构进行疲劳分析的成熟的方法，但可将《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）中混凝土结构做疲劳分析时混凝土材料参数的取值和计算假定［2］用于非线性有限元计算中，以获得可供工程设计参考的结果。然而，进行15号机组直埋方案混凝土结构的疲劳分析时仅仅是将内水压力荷载按1.18～1.43MPa重复加载200次，没按上述规范中要求的进行混凝土结构疲劳分析，因此其混凝土结构疲劳分析结果对实际的工程运用显然还缺乏说服力，今后应进一步加强这方面的研究。

对蜗壳直埋方案的实施，其金属蜗壳的焊接质量及其外围混凝土的浇筑质量都不容忽视。金属蜗壳的焊接质量检查要求仍应与垫层方案和保压方案相同，对焊缝采用100%智能超声波探伤，对发现问题处再用射线进行复查，使焊接缺陷得到及时的修复。由于混凝土结构中钢筋布置得较多且密，又加之其中廊道，孔洞、埋管多，钢筋难以避让或加强，增加了混凝土结构的浇筑困难。且混凝土浇筑质量的好坏几乎无法检查，混凝土内部的浇筑缺陷无法处理，仅靠蜗壳与混凝土间的灌浆不能弥补

混凝土结构内部的浇筑缺陷。因此在实施过程中应极其谨慎，严格对混凝土浇筑程序的控制，确保施工质量。

随着现代科学和工程技术的发展，材料科学的进步，计算机科学的进步，更先进的、功能强大的数值分析软件在实际工程应用，可使我们对许多非常复杂的结构逐渐进行更科学地分析和求证，去粗取精，去伪存真。对巨型水电站结构的设计才能不仅仅只是类比和模仿，而是去寻求更精确的解答和选择更合适的结构方案。

参考文献:

［1］水电站压力钢管设计规范DL.T5141-2001.

［2］混凝土结构设计规范GB50010-2002.

作者简介: 李丹，女，长江水利委员会设计院枢纽处，高级工程师。

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