水電站蝸殼結(jié)構(gòu)研究的進(jìn)展

1鋼蝸殼結(jié)構(gòu)型式水庫的螺母是水庫的重要組成部件之一。在大型節(jié)水電站中，通常使用金屬殼體（以下簡稱鋼殼體）。蝸殼結(jié)構(gòu)在空間上為半封閉的蝸形開口結(jié)構(gòu)，由鋼蝸殼管節(jié)、座環(huán)（包括固定導(dǎo)葉和上下環(huán)板）及外圍混凝土構(gòu)成，空間屬性及材料屬性復(fù)雜。蝸殼結(jié)構(gòu)不僅要承受較高的內(nèi)水壓力，還要直接或間接地承受水輪發(fā)電機組傳來的各種靜、動力荷載，受力條件非常復(fù)雜。水電站廠房施工時鋼蝸殼按埋入方式可分為墊層蝸殼、充水保壓蝸殼及直埋蝸殼三種結(jié)構(gòu)型式。這3種結(jié)構(gòu)型式具有各自的特點，不同歷史時期和地區(qū)對三種蝸殼埋入方式的認(rèn)識和應(yīng)用情況存在顯著差異。近30年來，我國在大型水電站蝸殼結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用方面實現(xiàn)了從完全引進(jìn)到自主創(chuàng)新的突破，本文嘗試對所取得的主要研究成果進(jìn)行總結(jié)，并對水電建設(shè)高速發(fā)展下尚未充分探究的問題進(jìn)行討論，以期對未來的水電站廠房建設(shè)和長久安全運行提供參考。2殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)用2.1充水保壓蝸殼充水保壓蝸殼是使鋼蝸殼在一定的保壓狀態(tài)下澆筑外圍混凝土的施工工藝，在1930年代初，美國田納西流域管理局（TVA）就將其作為最優(yōu)的蝸殼埋設(shè)方法進(jìn)行推廣應(yīng)用。根據(jù)美國機械工程師協(xié)會（ASME）所制定的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，各類壓力容器都必須進(jìn)行水壓試驗，而水輪機鋼蝸殼作為一種壓力容器，其水壓試驗要求和充水保壓埋設(shè)方法在美國成為了一種歷史慣例而長期存在，并逐步在歐美國家的水電站建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用，比如大古力、古里、伊泰普等單機容量超過500MW的機組，無一例外地均采用了充水保壓蝸殼。天生橋二級電站1—4號機組單機容量為220MW,1991年開始發(fā)電，是我國中型機組首次采用充水保壓蝸殼。二灘水電站總裝機3300MW，裝機6臺，單機容量為550MW，采用了美國通用設(shè)備公司生產(chǎn)的充水保壓水輪發(fā)電機組，首臺機組1998年投產(chǎn)，是當(dāng)時我國單機容量最大的充水保壓蝸殼。三峽水電站32臺機組中有21臺采用了充水保壓蝸殼，其中左岸14臺水輪發(fā)電機組主要部件均由歐洲的ALSTOM和VOITH水電設(shè)備公司制造，我國東方電氣集團和哈電集團作為合作廠家生產(chǎn)了部分輔助部件；右岸7臺充水保壓水輪發(fā)電機組則分別由歐洲的ALSTOM、VOITH、東電集團和哈電集團各自獨立承擔(dān)相應(yīng)的生產(chǎn)任務(wù)，這是我國首次將充水保壓蝸殼應(yīng)用到700MW級機組。改革開放以來，我國在吸收消化西方國家水電機組制造技術(shù)的基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新，從中等容量機組到三峽水電站的700MW巨型機組，很快在制造、安裝等方面完全掌握了此類技術(shù)，并開始廣泛地將其應(yīng)用于大量的水電工程。表1列出了我國典型工程充水保壓蝸殼的主要參數(shù)。對于抽水蓄能電站，由于其發(fā)電工況和水泵工況轉(zhuǎn)換頻繁，高轉(zhuǎn)速水泵水輪機及廠房結(jié)構(gòu)的振動問題非常突出，對鋼蝸殼的制造質(zhì)量和外圍混凝土的結(jié)合形式要求更高，因此歐美的ALSTOM和VOITH等主要廠家基本都采用了充水保壓蝸殼。我國過去的水泵水輪機主要依靠國外引進(jìn)，因此在早期投產(chǎn)的廣蓄一期、廣蓄二期、潘家口、十三陵、天荒坪等工程均采用了國外技術(shù)的充水保壓蝸殼。即使我國目前已經(jīng)實現(xiàn)了抽水蓄能機組的全部國產(chǎn)化，但充水保壓蝸殼一直應(yīng)用延續(xù)至今。2.2基于效率的減薄鋼蝸殼二戰(zhàn)后前蘇聯(lián)對高水頭、大容量水輪發(fā)電機組蝸殼結(jié)構(gòu)開展了長期的研究和實踐，經(jīng)歷了從墊層蝸殼到直埋蝸殼（減薄鋼蝸殼并與外圍混凝土完全聯(lián)合承載）的發(fā)展過程我國改革開放前水電站機組單機容量不大，基本都是按前蘇聯(lián)的方法和經(jīng)驗采用了墊層蝸殼。1997年建成的李家峽水電站全部機組采用墊層蝸殼，單機容量400MW，裝機5臺，共2000MW，蝸殼承受靜水頭約140m,HD值達(dá)1280m2.3鋼蝸殼及其混凝土充填與前蘇聯(lián)不同，北歐、日本在應(yīng)用直埋蝸殼時，采用的鋼蝸殼是按單獨承受全部內(nèi)水壓力設(shè)計制造的，并不因有外包混凝土而將鋼蝸殼減薄。但由于鋼蝸殼和混凝土之間沒有墊層或保壓形成的縫隙，相當(dāng)部分的內(nèi)水壓力傳給外圍混凝土，使得蝸殼外圍混凝土負(fù)擔(dān)重、配筋多。為了解決蝸殼直管段外圍混凝土開裂和機墩不均勻上抬變形問題，經(jīng)大量試驗研究和設(shè)計論證，景洪水電站全部5臺機組和三峽水電站的153關(guān)于洛殼結(jié)構(gòu)的研究3.1蝸殼結(jié)構(gòu)非線性有限元模型的建立蝸殼結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的幾何體型，材料屬性為鋼襯-鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)，這些特點決定了蝸殼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)難以通過結(jié)構(gòu)力學(xué)解析方法獲取，有限元方法成為研究蝸殼結(jié)構(gòu)的重要手段之一。對于HD值（蝸殼承受的水頭與直徑的乘積）較大的水電站而言，蝸殼外圍混凝土損傷開裂是必然的，如何準(zhǔn)確獲得外圍混凝土裂縫分布、結(jié)構(gòu)變形及鋼材應(yīng)力成為水電站蝸殼強度安全評價的制約因素，甚至成為論證大型工程蝸殼埋入方式的技術(shù)瓶頸，為此眾多學(xué)者在蝸殼結(jié)構(gòu)的非線性有限元計算研究方面投入了大量的精力。1990年代，受限于客觀條件，研究人員大都采用自編程序開展非線性計算，蝸殼結(jié)構(gòu)只能簡化為軸對稱平面模型或取局部扇形區(qū)。文獻(xiàn)進(jìn)入21世紀(jì)后，國內(nèi)引進(jìn)的ANSYS程序中Solid65混凝土單元采用改進(jìn)的William-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則，可以模擬混凝土壓碎和開裂，混凝土單元每個高斯積分點最多有3條相互垂直的裂縫，鋼筋一般采用整體式模型，為此天津大學(xué)、大連理工大學(xué)及武漢大學(xué)的研究人員采用上述數(shù)值模型做了大量有意義的計算研究工作。伴隨計算機計算能力的進(jìn)步，蝸殼結(jié)構(gòu)非線性分析也實現(xiàn)了從二維到三維的突破三峽水電站蝸殼埋入方式從1990年代開始論證，最終32臺機組中21臺采用充水保壓蝸殼，9臺采用墊層蝸殼，2臺采用直埋-墊層組合蝸殼（15以三峽水電站等大型工程為依托，經(jīng)過國內(nèi)多家科研單位長達(dá)10多年的積累，研究人員在蝸殼結(jié)構(gòu)的非線性數(shù)值分析方法方面取得了重大突破，論證了直埋蝸殼或直埋-墊層組合蝸殼應(yīng)用于大型工程的可行性，成為蝸殼結(jié)構(gòu)研究的重要進(jìn)展之一。3.2混凝土配筋設(shè)計我國早期建設(shè)的工程一般采用平面“Γ”形框架法對蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋，計算時假定鋼蝸殼承擔(dān)全部內(nèi)水壓力，外圍混凝土只承擔(dān)水輪機層樓面荷載和機墩傳來的機組荷載。1990年代初開始，有科研單位對鋼蝸殼及外圍混凝土開展三維有限元計算，且隨著對鋼襯-鋼筋混凝土這類結(jié)構(gòu)承載機理研究的深入，逐步認(rèn)識到蝸殼外圍混凝土甚至可能是承擔(dān)內(nèi)水壓力的主體，需要合理配置鋼筋。蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)不同于單純的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼蝸殼已經(jīng)按承擔(dān)全部內(nèi)水壓力設(shè)計，因此尋求合理的混凝土配筋原則，以實現(xiàn)既安全又經(jīng)濟的目標(biāo)，成為了大型水電站蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題。蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)由于體型復(fù)雜不宜簡化為桿件體系，設(shè)計時一般采用有限元方法求得蝸殼外圍混凝土在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力圖形，然后按照文獻(xiàn)文獻(xiàn)隨著蝸殼結(jié)構(gòu)非線性分析方法逐漸成熟，文獻(xiàn)綜上所述，針對蝸殼外圍混凝土這一復(fù)雜結(jié)構(gòu)，提出一種簡便的顯式配筋方法是非常困難的，隨著認(rèn)識的深入和分析方法的進(jìn)步，行業(yè)內(nèi)無論是文獻(xiàn)3.3機墩不均勻變形水推力三峽水電站機組尺寸及重量巨大，混凝土結(jié)構(gòu)顯得相對單薄，設(shè)計階段機組廠家對座環(huán)徑向柔度提出了明確要求，相當(dāng)于間接地對座環(huán)周邊混凝土結(jié)構(gòu)的支撐剛度提出了要求。文獻(xiàn)蝸殼結(jié)構(gòu)屬非軸對稱結(jié)構(gòu)，內(nèi)水壓力作用下蝸殼上部的機墩沿360°圓周發(fā)生不均勻上抬變形，這一現(xiàn)象較早就被研究人員發(fā)現(xiàn)并受到重視。武漢大學(xué)、長江科學(xué)院的研究人員結(jié)合國內(nèi)多個水電站開展了機墩不均勻變形的研究蝸殼在內(nèi)水壓力作用下會形成一個指向下游、大小為蝸殼進(jìn)口斷面面積與內(nèi)水壓力乘積的不平衡水推力，該水推力相對機組中心形成一個較大的扭矩。近年來水輪機廠家對該不平衡水推力及相應(yīng)的扭矩十分重視，一般采取在蝸殼進(jìn)口處設(shè)置止推環(huán)的工程措施。為此文獻(xiàn)廠房土建方早期主要關(guān)注蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)強度安全，后來國內(nèi)多家科研單位和設(shè)計單位在大型工程蝸殼結(jié)構(gòu)型式的論證過程中，土建方和機電方通過加強交流，逐漸認(rèn)識到蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)強度和剛度也是保證水輪發(fā)電機組穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)條件之一，機墩、蝸殼、尾水管等廠房下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)本質(zhì)上都是為機組運行服務(wù)的，對蝸殼的埋設(shè)方式和結(jié)構(gòu)配筋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)綜合考慮影響機組穩(wěn)定運行的多個因素（結(jié)構(gòu)剛度、機墩變形、座環(huán)抗剪與抗扭），該理念目前在工程界和學(xué)術(shù)界已經(jīng)形成了共識，成為近年來蝸殼結(jié)構(gòu)研究的重要進(jìn)展之一。4殼體結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用4.1鋼蝸殼與混凝土接觸分析(1）施工期溫度縫隙的形成機理。迄今為止，分析直埋蝸殼和墊層蝸殼結(jié)構(gòu)時一般均未考慮鋼蝸殼和混凝土之間存在的初始縫隙。充水保壓蝸殼因為人為構(gòu)造了初始保壓縫隙，因此其全過程的仿真分析一直是研究的重點，武漢大學(xué)、大連理工大學(xué)和昆明理工大學(xué)的研究人員基于不同的技術(shù)路線，模擬了施工期保壓縫隙的初始分布，揭示了保壓縫隙的非均勻閉合特性，成為近年來保壓蝸殼研究的重要進(jìn)展水化熱溫升導(dǎo)致鋼蝸殼斷面內(nèi)發(fā)生徑向變形，甚至發(fā)生一定的整體變形。隨著施工期水化熱耗散，混凝土逐漸硬化，加上鋼蝸殼與混凝土線膨脹系數(shù)不同，二者變形非協(xié)調(diào)，逐漸分離形成間隙，這一過程中鋼蝸殼與混凝土之間還存在接觸摩擦，力學(xué)機制非常復(fù)雜。三峽水電站充水保壓蝸殼混凝土澆筑時要求當(dāng)蝸殼內(nèi)水溫在22～28℃時，在22℃基礎(chǔ)上每上升2℃，內(nèi)水壓力降低0.01MPa(2）運行期溫度荷載的作用效應(yīng)。文獻(xiàn)由上述文獻(xiàn)資料可知，蝸殼結(jié)構(gòu)強度儲備本身是非常高的，溫度作用對混凝土裂縫擴展的影響更應(yīng)被關(guān)注。但目前公開發(fā)表的成果中，僅文獻(xiàn)(3）墊層材料長期力學(xué)特性。規(guī)范上述研究考慮的時間尺度較小，未能涉及墊層材料長期的蠕變特性及耐久性，對其在機組長期運行中的性能劣化乃至失效機制缺乏認(rèn)識，對機組服役期內(nèi)穩(wěn)定運行的影響尚不明確。后續(xù)有必要對墊層材料在較大時間尺度下的性能演變開展研究，從而進(jìn)一步揭示墊層蝸殼全生命周期的力學(xué)特性。(4）鋼蝸殼-混凝土接觸振動傳遞機制。三峽水電站15相比材料非線性，鋼蝸殼與混凝土之間的動力接觸問題關(guān)注度相對不足，目前僅中國水利水電科學(xué)研究院的研究人員結(jié)合三峽水電站開展了相關(guān)研究綜合以上分析可知，目前關(guān)于鋼蝸殼與混凝土之間動態(tài)接觸問題的研究尚不充分，低水位低溫季節(jié)時，鋼蝸殼與外圍混凝土接觸面在一定范圍可能長期處于脫空狀態(tài)，脈動壓力沿鋼板-縫隙-混凝土向外傳遞，鋼蝸殼-混凝土動力接觸屬性對鋼蝸殼及廠房結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的影響值得進(jìn)一步研究。(5）鋼蝸殼及座環(huán)疲勞失效。文獻(xiàn)蝸殼結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，由于過去研究蝸殼結(jié)構(gòu)時側(cè)重點不同，對鋼蝸殼和座環(huán)局部構(gòu)造的模擬不夠精細(xì)，而局部不連續(xù)的部位恰好是容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位。鋼蝸殼管節(jié)和座環(huán)之間焊縫眾多，尤其蝸殼鼻端區(qū)域焊接非常復(fù)雜，并非典型的焊接接頭，疲勞分析時名義應(yīng)力的定義以及S-N曲線的選取都是比較困難的。目前常用的名義應(yīng)力法、結(jié)構(gòu)應(yīng)力法及缺口應(yīng)力法在實用性和科學(xué)性方面存在各自的優(yōu)勢和不足4.2鋼蝸殼獨立獨立排放的裂縫形成機理(1）預(yù)熱膨脹構(gòu)造初始縫隙的蝸殼埋入方式。施工階段通過加熱鋼蝸殼產(chǎn)生膨脹變形，采用預(yù)熱膨脹的方式替代充水保壓。文獻(xiàn)(2）可融涂層構(gòu)造初始縫隙的蝸殼埋入方式。相比充水保壓和預(yù)熱膨脹方式間接形成縫隙，該種蝸殼埋入方式屬于直接形成縫隙。蝸殼安裝固定后，在鋼蝸殼外表面涂抹一定厚度的石蠟或某種涂層，涂層厚度可通過有限元計算擬定；混凝土硬化后，通過加熱鋼蝸殼到一定的溫度融化涂層并從預(yù)留孔排出，以形成縫隙。采用這種埋入方式可以省去充水保壓階段的悶頭和座環(huán)內(nèi)封環(huán)，施工相對簡便，但需重點研究涂層材料的熱穩(wěn)定性。5探索鋼蝸殼與鋼筋混凝土聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)經(jīng)過我國工程設(shè)計人員和研究人員的努力，20多年前關(guān)于建設(shè)期蝸殼埋入方式的諸多疑問獲得了解決，但也無法回避在水電建設(shè)高速發(fā)展之下，諸多科學(xué)問題的探索是落后于工程實踐的。蝸殼結(jié)構(gòu)作為水輪發(fā)電機組的核心部件，始終承受動態(tài)循環(huán)荷載的作用，不能以靜止的視角看待蝸殼結(jié)構(gòu)長達(dá)幾十年的連續(xù)服役。我國早期投產(chǎn)的大中型水電站即將步入“中年”階段，凝聚科研力量，綜合檢測、監(jiān)測、理論分析等各種手段，管理單位、機組廠家及設(shè)計單位多方協(xié)同，及時發(fā)現(xiàn)運行期存在的隱患，避免我國出現(xiàn)薩揚舒申斯克水電站類似的重大事故，是未來水電站廠房設(shè)計和研究人員以及機電設(shè)備制造廠家的努力方向。從1960年代起，由于高強鋼的缺乏，前蘇聯(lián)結(jié)合克拉斯諾雅爾斯克和布拉茨克兩座大型水電站開展了鋼蝸殼與鋼筋混凝土聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)的研究。通過取消座環(huán)與蝸殼連接處1.5～2.0m范圍內(nèi)的