水电站蜗壳结构模型试验和原型观测的发展现状

张启灵，伍鹤皋，李端有

(1.长江科学院a.工程安全与灾害防治研究所;b.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010;2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

1 概述

水电站蜗壳结构空间体型复杂，是一种特殊的钢衬钢筋混凝土结构，按钢蜗壳埋入混凝土方式不同，一般分为3类:垫层蜗壳、充水保压蜗壳和直埋蜗壳。蜗壳内水压力由钢蜗壳和外围大体积混凝土结构共同承担，钢蜗壳和混凝土之间的非线性接触滑动行为以及两者联合承载机理十分复杂。

对于蜗壳这种复杂的组合结构，近年来比较流行的研究方法是以数学力学为基础，建立数值模型进行各类有限元计算，取得了丰硕的成果［1－4］。除此之外，以实验力学为基础，建立蜗壳结构的物理模型进行试验分析，或对于已建成的工程进行蜗壳结构原型观测，获得最原始的资料，也都是蜗壳结构研究的重要手段。数值计算、模型试验和原型观测三者相辅相成，各有优缺点，如数值计算方便快捷、节约成本，但计算参数不易确定;模型试验技术成熟，对问题描述清楚直接，而试验费用较高，获取的结果不够稳定;原型观测基于实际工程，所得监测数据可信度高，但是其观测周期长、结构加载或卸载受实际工程运行要求限制，且测点数量和分布有限，因此很难获得全面有效的监测数据。尽管采用数值计算方法研究蜗壳结构逐渐成为主流手段，但模型试验和原型观测作为数值计算结果正确性和合理性的有力验证手段，其作用不可替代。本文拟总结蜗壳结构模型试验和原型观测的发展现状，以期为今后的蜗壳结构研究发展提供一定参考。

2 蜗壳结构模型试验的发展现状

前苏联是开展蜗壳结构模型试验研究较早的国家之一。在其国内布拉茨克、克拉斯诺雅尔斯克、努列克、英古里、契尔盖依、萨扬舒申斯克等水电站的设计过程中，进行了大量的模型试验，取得了许多有价值的研究成果［5－9］。20世纪70年代初，印度学者Nigam对超过30个电站的荷载分布规律进行研究总结，试图找到一种适应范围广的一般方法对蜗壳结构进行设计，从而避免模型试验耗时的缺点［10，11］。到了20世纪 70年代中期，Nigam 又与其他人合作，采用光弹试验的方法对蜗壳结构进行研究。他们采用三维与二维光弹试验，将其得到的应力结果与二维理论解对比［12］，研究表明试验结果与理论计算得到的结果差别很大，分析原因是二维理论解未考虑结构在水平与竖直方向的连续性，但限于当时的试验条件，该研究仅考虑了机组静荷载［13，14］。

我国水利水电科学研究院于20世纪60年代就开始对蜗壳等钢衬钢筋混凝土结构采用光弹试验方法开展研究。李伯芹分别制作平面和立体偏光弹性模型，借助特制的橡皮模套及手摇式油压泵施加内水压力，得到了蜗壳外围混凝土的应力分布规律;并且对影响内水压力荷载传递系数及钢筋混凝土应力状态的因素进行了详细分析，得到了内水压力荷载传递系数主要取决于蜗壳钢板厚度的结论［15，16］。20世纪80年代，在对安康水电站蜗壳结构设计的过程中，为了全面准确了解蜗壳外围混凝土结构的受力状态，也采用了三维光弹试验方法对其进行研究［17］。

随着水电站单机容量越来越大，为优化蜗壳结构设计的理论，我国有关单位陆续开展了三维仿真材料蜗壳模型试验。西北勘测设计院科研所自1987年开始，对蜗壳垫层材料及蜗壳与钢筋混凝土联合承载问题进行了试验。试验以龙羊峡水电站为原型，平面模拟范围为一个机组段，顶部为水轮机层，底部为尾水管直锥段末端，模型比例1∶10，包括垫层方案和直埋方案2个模型。试验中间成果应用于龙羊峡电站4#机蜗壳，在钢蜗壳外包裹了JZ软木垫层材料，成功降低了混凝土承载比［18，19］。1996年，原武汉水利电力大学秦继章等以二滩水电站为原型，平面上取一个标准机组段范围，立面上取自高程994.00 ～1 008.50 m的范围，模型比例 1 ∶20，包括2个模型:分别配置3层钢筋和2层钢筋，充水保压值分别取1.9 MPa和0.95 MPa。该工作是我国第一次用仿真材料做大型充水保压蜗壳结构模型试验。实际工程采用了试验研究成果，减少了原初步设计中的中层钢筋，节省钢材400多吨，加快了施工进度，但该试验存在模型比尺偏小的缺憾［20］。

随着三峡水电站的建设，2000年长江三峡工程开发总公司分别委托武汉大学和长江科学院采用1∶12大比例仿真材料模型试验对三峡水电站充水保压蜗壳结构进行深入研究。2家单位均取一个标准机组段范围，顶部为水轮机层，底部取至尾水管直锥段末端，高程略有不同。2家试验充水保压值均取0.7 MPa。在试验前提条件类似的情况下，2家试验结果吻合较好，均得到结构初裂荷载为设计荷载的1.8倍的结论，且裂缝出现位置基本相同［21－23］。2 家单位的研究工作为充水保压蜗壳结构形式在三峡水电站中的应用起到了重要参考作用。2005年长江三峡工程开发总公司再次分别委托武汉大学和长江科学院采用1∶12大比例仿真材料模型试验方法对三峡水电站右岸15#机组直埋式蜗壳结构进行深入研究。2家单位所取模拟范围基本一样，底部高程有所不同，顶部均为水轮机层。武汉大学主要考虑蜗壳内水压力;长江科学院除考虑蜗壳内水压力外，还模拟了水轮机层以上楼面荷载和混凝土自重。该工作也是目前国内模拟荷载工况较全面的模型试验。2家单位的研究工作均证明三峡水电站右岸15#机组选择直埋式蜗壳结构形式是可行的［24，25］。在模型试验的基础上，2家单位还分别采用不同有限元计算软件建立数值模型模拟物理模型，得到的数值计算结果与试验结果较为一致［26，27］。数值计算和模型试验的结果相互基本吻合也使得结果更为可信，为三维非线性有限元技术应用于蜗壳结构计算提供了重要依据。

三峡水电站蜗壳结构大比尺仿真材料模型试验的顺利完成也标志着我国蜗壳结构模型试验技术已经处于世界领先水平。尽管如此，三峡水电站蜗壳结构模型试验模拟范围顶部只取至水轮机层，没有包括机墩结构，无法得到与机组稳定运行密切相关的机墩变形大小，而且也有数值计算成果表明，不考虑机墩结构对蜗壳外围混凝土的开裂性态及钢筋应力有不小的影响［28，29］。武汉大学何勇等于2008年完成瀑布沟水电站充水保压蜗壳1∶10大比例仿真材料模型试验，模型包括了机墩结构，得到了机墩结构的不均匀变形等成果;同时也采用三维非线性有限元技术对模型进行结构计算，通过与模型试验成果比较，调整非线性材料本构关系和计算参数，得到了适合于原型结构非线性有限元计算的条件［30，31］;另外该试验还采用了自编的程序对采集到的数据进行后处理，提高了工作效率［32］。

3 蜗壳结构原型观测的发展现状

早在20世纪60年代，我国有关单位就开始了水电站厂房蜗壳的原型观测工作，积累了大量的观测资料，对校核、改进设计、指导施工、监视蜗壳安全运行起到了非常有益的作用。刘家峡水电站2#机组蜗壳结构设计根据1#机组实测资料将外围混凝土配筋量减少10多吨。原型观测资料在节约钢材的同时也为改进蜗壳设计提供了依据。三门峡水电站改建设计中，为便于冲沙、清污，确定在机组蜗壳上开孔，增设岔管。其体型复杂，荷载传递和内力分配难以确定，为此对第一台安装机组蜗壳进行原型观测工作，得到了蜗壳和岔管的应力分布情况，为改进后几台机组的设计提供依据，达到了改进设计监视电站安全运行的目的［33］。

在一些电站中，如刘家峡、碧口、新安江等，对蜗壳实测资料进行了系统的整理分析，提出了极有价值的成果。20世纪70年代末，西北勘测设计院黄家然等对碧口水电站(单机容量100 MW)垫层蜗壳结构进行了实测应力状态分析，在当时的技术条件下得到了弹性垫层能够使得钢蜗壳与外围混凝土完全独立工作的主要结论［34］。刘家峡、新安江等电站的实测成果表明:①由机组自重荷载所产生的钢筋应力并不显著;②在历次充水时，钢蜗壳应力变化幅度均有渐增的趋势性变化;③钢蜗壳外围虽设有弹性垫层，实测外围混凝土中的钢筋应力都有明显变化，表明钢蜗壳与外围钢筋混凝土是联合承担内水压力的，钢筋应力随充水时间的延长而减少，分析原因是由于混凝土徐变及其裂缝的影响，使混凝土与钢蜗壳间的间隙逐渐加大，导致钢蜗壳和钢筋应力重分配;④当内水压力增大至一定极值，钢蜗壳与外围钢筋混凝土进入完全联合承载状态。刘家峡、新安江、碧口等电站的实测钢筋应力过程线表明:温度变化以及内水压力变化是影响外围混凝土中钢筋应力的主要因素，温度应力占很大比重;温度对钢蜗壳应力的影响也是不可忽略的，会导致钢蜗壳充水前就存在较大的初始应力，结论是一般设计中不计温度应力是极不恰当的［33，35］。

哈尔滨大电机研究所结合新结构研制，曾对4个水电站蜗壳结构实测，得到了较多的实测应力数据。白龙江电站实测结果表明:蜗壳外围混凝土浇筑前钢蜗壳蝶形边附近的应力远大于其它区域应力，其随固定导叶位置变化，固定导叶头部应力最高，2个固定导叶中间位置应力最小，波动很大;在蝶形边处加辐向筋后，该处应力大幅下降，座环应力变化不大。在对同机型、同参数的凤滩电站机组运行情况下的原型观测中，将结果与白龙江电站实测结果对比发现混凝土基础对蜗壳座环应力有很大影响［36］。北京勘测设计研究院等单位先后对安康水电站4#机组和1#机组蜗壳结构进行了现场原型静、动态观测，观测结果表明:钢蜗壳外围虽设有弹性垫层，钢蜗壳与外围钢筋混凝土呈联合受力状态，但钢筋受力不大，有较大的安全储备;机组甩负荷历时与水击压力成反比关系，水击压力持续时间短、消失快、引起振动小，将其按静水头的30%设计是可行的;施工期温度应力和混凝土干缩应力较大，设计中应该考虑［17］。

进入本世纪，随着充水保压蜗壳在我国大型水电站中的应用，对充水保压蜗壳结构进行原型观测的工作逐渐变多。李文慧曾选择二滩水电站2#机组充水保压蜗壳结构进行原型观测，发现:蜗壳内水压力未达到充水保压值之前(约为充水保压值的85%)钢蜗壳与外围钢筋混凝土就提前开始部分接触，尽管外围钢筋混凝土分担的内水压力荷载较设计值略有增大，但钢筋应力不大，混凝土拉应力一般小于混凝土抗拉强度;上部垂直荷载对蜗壳局部钢筋混凝土应力产生有利影响，机组蜗壳安全储备较大;通过将原型观测成果与有限元计算和模型试验成果对比，差异较大［37］。

长江三峡工程开发总公司等单位对三峡水电站左岸3#，4#，10#和14#机组充水保压蜗壳结构进行了大量的原型观测工作。於三大等对3#机组充水试运行期蜗壳结构进行监测，发现:尾水充水过程对结构影响较小，上游引水钢管充水使得钢蜗壳与混凝土之间的缝隙变小，闭合量大小基本与充水前开度大小成正比;由于水头不高，机组发电运行后，结构应力变化不大;与蜗壳内水压力相比，上部活荷载的作用对结构影响较小(不超过20%)［38］。河海大学张志诚等对4#机组蜗壳水压试验全过程进行监测分析，认为:蜗壳在加压、保压和卸压过程中环向应力变化明显，轴向应力变化较小;从应力分布看，蜗壳顶部环向应力较小，腰部环向应力较大［39］。张宪明等监测了10#机组蜗壳在施工期加压、保压保温和卸压后的工作性态，总结了混凝土与蜗壳受力变化的一般规律，监测发现:混凝土测点最高温度一般低于设计允许温度，因此建议考虑温度对钢蜗壳与混凝土之间缝隙开度的影响，适当提高保压水头［40］。丁长青通过分析监测资料认为:左岸厂房机组蜗壳在充水保压后的设计低水头(135～138 m)下运行时工作状态正常，外包混凝土尚未处于受力状态［41］。基于原型观测成果，於三大等将其分别与材料力学计算值和有限元计算值对比，发现实测值小于计算值，但实测资料变化趋势是合理的［42］。通过以上原型观测，分析认为三峡水电站左岸机组蜗壳工作性态正常，应力和变形均在设计允许范围内［43］。

随着三峡水电站右岸机组陆续投入运行发电及水库水位的升高，河海大学孙亮、张猛等在三峡水库蓄水位升至156 m的过程中，对右岸19#机组进行原型观测，通过建立多元回归模型预测三峡水库正常蓄水位175 m时水轮机组蜗壳开合度的变化情况和蜗壳钢板应力变化情况，深入分析蜗壳钢板应力变化规律及蜗壳开合度与钢板应力间的关系［44，45］。在当时尚未有水库正常蓄水位175 m时的监测资料校验回归模型的情况下，该工作给设计、管理部门提供了宝贵的预警资料。长委设计院彭绍才等对三峡右岸电站3种埋设方式机组蜗壳在156 m和172.7 m水位条件下运行时的实测应力进行了分析，发现:采用保压方式和垫层方式埋设的机组蜗壳的应力变化、分布和应力水平没有明显的区别，采用直埋方式的15#机组的蜗壳应力相对较小;3种埋设方式机组蜗壳的应力均在安全范围以内，机组蜗壳运行安全［46］。

4 存在的问题

迄今为止，采用模型试验方法研究蜗壳结构的静力问题技术上已比较成熟，对充分了解其受力机理，预测其实际工作特性有很大帮助;更为重要的是，模型试验还可以为建立和验证数学模型提供重要的依据，是数值计算方法的有力补充。20世纪90年代后，随着充水保压蜗壳和直埋式蜗壳在二滩、三峡、瀑布沟等水电站中的应用，国内有关充水保压蜗壳和直埋式蜗壳的模型试验研究开展较多，然而作为近年采用越来越广泛的垫层蜗壳有关的结构模型试验未见报道。另外，蜗壳结构作为一种典型的钢衬钢筋混凝土结构，在不同埋设方式下动力特性十分复杂，钢蜗壳和外围混凝土之间存在高度接触非线性问题，目前很难采用数值计算方法合理模拟，将结构动力试验技术用于研究蜗壳结构的动力特性是未来蜗壳结构模型试验的重要发展方向，迄今尚未见到此类研究报道。

我国的水电站厂房蜗壳结构原型观测工作对实际工程的设计和施工起到了很好的辅助作用，但出于技术资料保密等原因的需要，我国已有的大量蜗壳结构原型监测资料多数未见公开，将监测资料与计算结果相互对比佐证的研究相对较少，未能充分发挥监测资料的作用。已有的蜗壳结构原型观测工作多数关注结构应力状态，鉴于蜗壳结构的变形直接影响机组运行的稳定性，其运行期的变形监测同样值得重视。另外，对于蜗壳结构在机组运行过程中的动力响应监测是十分重要的，目前这方面的资料较少。对于运行时间较长的水电站，蜗壳结构的耐久性是值得关注的，采用原型观测技术及时评估结构的安全性，预测结构的使用寿命是必要的，在日本已见到此类报道，值得我国借鉴［47］。

5 结语

总体看，与数值计算方法相比，模型试验耗时较长，试验成本高，可重复性不好，近年来发展较慢。随着新材料、新技术的发展，特别是高分子材料、纳米材料的广泛应用，光测技术的迅猛发展，水工结构模型试验的模拟精度也在不断地提高，将其应用于复杂的蜗壳结构研究将为工程的设计和管理乃至数值计算分析提供可靠的依据。随着2010年10月三峡工程试验性蓄水至175 m的成功，利用已有监测资料建立多元回归模型，预测蜗壳工作性态并及时校验回归模型将成为未来原型观测工作的重点。鉴于模型试验和原型观测无可替代的作用，可以预见，模型试验和原型观测方法将贯穿于蜗壳结构研究的发展历程。

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