水电站厂房蜗壳结构静动力分析

卓欢

【摘要】水电站厂房在水电站枢纽中是非常重要的组成部分，可以将水能转换为电能，一般情况下水电站厂房支承结构主要由蜗壳、风罩等结构系统构成，在运行过程中会受到静力荷载的作用，厂房振动问题严重影响了水电站的正常运行。鉴于此，笔者从不同角度展开水电站厂房蜗壳结构静动力分析。

【关键词】水电站厂房；蜗壳结构；静动力分析

随着社会经济的快速发展，电力资源越来越紧缺，一大批水电工程开始陆续建立起来，水电开发不仅为工业和农业生产提供了能源，同时因为燃煤带来的污染等相关问题也得到了缓解，还大大促进了旅游、航运以及水产等相关项目的发展，在水利枢纽中水电站厂房是非常重要的组成部分之一，因此其安全性问题逐渐引起了人们的重视。

1蜗壳结构的埋设方式

蜗壳结构在计算过程中往往要与某种蜗壳埋设方式相结合，现阶段我国主要采用的结构形式有三种：第一，将软垫层铺设在钢蜗壳外上部的相应范围内，然后将其外围浇筑混凝土，形成垫层蜗壳；第二，在充水保压的状态下，钢蜗壳外围浇筑了一层混凝土之后形成保压蜗壳；第三，直接将混凝土浇筑在刚蜗壳上，不设置垫层或者充水保压，混凝土和蜗壳共同承载，这样就形成了直埋蜗壳。通过对国内外大量工程实践的总结分析可以看出，以上三种蜗壳结构形式各有优缺点，目前都有广泛的应用。笔者认为，充分借助有限元等现代数值分析法，可以基本上解决蜗壳结构静力上存在的强度与变形等相关问题。

2厂房蜗壳动力分析的有关内容

蜗壳结构的动力分析并不是利用静力分析的那套理论，必要条件下需要选取厂房整体或者一部分岩石来进行分析。目前动力分析的研究主要集中在下面几方面：首先，弹性模量、范围选择等垫层参数对厂房整体及蜗壳局部动力特征的影响；其次，在一系列内源激烈作用的影响下，三种埋设方式的厂房蜗壳动力反应特点分析和研究；第三，直埋蜗壳因为流道内压力而引起蜗壳外围混凝土内贯穿性损伤及分裂的存在，对厂房和机组运行稳定性造成的影响等等。通过大量实践研究发现，蜗壳的埋设方式并不会对厂房及蜗壳整体刚度带来太大的影响，也不会控制機组运行的稳定性。

3水电站厂房蜗壳结构静动力分析的主要问题分析

本文以某水电站作为工程背景，针对厂房蜗壳结构展开静动力分析，通过对目前国内外研究情况的总结来看，我们可以通过以下几方面展开深入分析。

3.1垫层材料

垫层材料主要应用在压力管道和蜗壳上，目前国内外已经针对其残余变形、疲劳、徐变应力性能等方面进行了较多研究，但是在机组振源、地震等动荷载影响下的动力非线性应力应变关系等方面还未开展研究。随着机组厂房和蜗壳尺寸的逐渐增大，振动的问题越来越突出，厂房蜗壳的结构动力刚度是否会因为垫层的存在而被削弱，为厂房振动带来某些影响，还需要与垫层材料的实际动态应力应变关系相结合展开深入的研究。现阶段在动力分析时模型、计算假定等处理比较简单，例如建立模型时基本上会假定垫层作为线弹性材料，通过对静力线性应力应变关系来得到压缩模量，垫层实际上属于较软的弹塑性材料，在厂房及蜗壳振动过程中必然会显示出动力非线性特征。

3.2混凝土开裂对厂房蜗壳动力特征的影响

直埋蜗壳的优点在于工期短、程序简单、可以提供较大的整体静力刚度，近年来颇受业界人士的关注。大型电站中直埋蜗壳的尺寸比较大，刚度比较弱，加上HD值又高，在混凝土厚度较薄的位置通常会产生一些集中裂缝，虽然现阶段蜗壳设计都是按照混凝土结构进行设计的，但是配筋并不能对裂缝的产生进行阻止，只能达到限制裂缝扩展的作用。从静力变形角度上来看，直埋蜗壳结构经过配筋之后通常可以满足相关规范的要求，但是水电厂房中发生作用的水力振动荷载以及电气荷载等，这些均长期持续的存在，在一些高烈度地震区还会起到短时间的强地震作用，在这些荷载的影响下，大量裂缝的存在会对厂房及蜗壳上部结构的抗震及振动性能产生影响。通常情况下已有的裂缝会对材料的力学性能产生改变，从本质上来说，已含有裂缝等损伤的混凝土结构其动力响应问题会显示出非线性特征。在地震荷载及脉动水压力的影响下，结合某机组段需要对其开裂地面蜗壳结构的动力反应及特征进行深入分析。虽然目前已经研究完成了轴对称蜗壳结构模型的构建，同时水动力作用下直埋蜗壳结构的动力响应研究也取得了一些成果，但是这远远不够，还需要进行更深一步的研究，利用断裂及损伤力学理论针对厂房及蜗壳展开动力分析。

3.3流-固耦合效应

蜗壳流道中含有大量的水体，可能会对结构动力特征产生重大影响，其影响还需要进行深入的研究，这与流-固耦合问题直接相关、相互作用。目前多数情况下会基于机组部件的振动特征对流固耦合的影响加以考虑，在厂房及蜗壳结构振动特征方面仅做了一些简化性的研究，通常将水体影响简化成为附加在流道中的动水质量，虽然这样的分析对于一般的蜗壳结构还可以体现出一定的合理性，但是在巨型蜗壳的动力特征研究中却存在非常大的误差，这时将流-固耦合动力学理论引入到巨型蜗壳动力特征分析中，可以收到意想不到的成果。

3.4地下厂房的动力分析模型

出于抽水蓄能电站建设的需要，加上我国西部地区地质与地形上的限制，多将发电厂布置为地下式，虽然从安全级别上来说地下厂房不像大坝那样重要，但是在整个水电站中它是重要的枢纽，一旦厂房内部振源振动较强，可能会造成厂房及周边围岩的破坏，所以目前地下厂房动力特性分析受到越来越多人的重视。在现阶段的地下厂房动力分析中，通常采用模拟围岩对厂房的动力作用展开静力分析，这种做法仅能为其提供静态的弹性支撑，很明显，从动力分析上来看，这种做法在理论上是不妥的，同时这种方法并没有对围堰介质的结合辐射阻尼吸收振动散射波的作用进行考虑，在截断边界产生虚假反射，围岩范围的计算结果将会出现严重的失真现象。大量研究表明，要想不对结构动力反应产生影响，围岩范围需要满足下面的条件：

≥

式中， 、 、 分别代表三个指标： 为从边界到结构边缘或中心之间的最短距离； 为岩石介质最大波速； 为总计算时长。

结语：

综上所述，电力工业是我国国民经济的重要基础，对社会经济的发展直观重要。在目前能源危机越来越严重的情况下，水电站建设快速发展，很多大容量、高水头的水电站不断兴建。基于上述从不同角度针对厂房蜗壳结构静动力的分析，可见厂房蜗壳的结构动力刚度是因为垫层的存在而被削弱，在厂房及蜗壳振动过程中必然会显示出动力非线性特征；已有的裂缝会对材料的力学性能产生改变，从本质上来说，已含有裂缝等损伤的混凝土结构其动力响应问题会显示出非线性特征；蜗壳流道中含有大量的水体，可能会对结构动力特征产生重大影响，与流-固耦合问题具有直接的关系。采用模拟围岩对厂房的动力作用展开静力分析，这种做法仅能为其提供静态的弹性支撑，并没有对围岩介质的结合辐射阻尼吸收振动散射波的作用进行考虑。因此，应当加深研究水电站厂房蜗壳结构静动力的分析，从而降低水电站建设的风险，促进我国电力产业的可持续发展。

参考文献：

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