向家坝水电站不同埋设方式蜗壳结构有限元分析

针对向家坝地面电站,采用三维有限元法分析比较蜗壳不同埋设方式下的流道及其外围混凝土结构的静力特性,为蜗壳埋设方式的选择提供依据。研究表明:直埋方案所需配筋最多,不经济,且可能产生贯穿性裂缝;垫层方案应力普遍较小,垫层沿水流向敷设至蜗壳45°断面的组合方案仅局部区域有较大拉应力。推荐采用垫层埋设方式或垫层敷设至蜗壳45°断面的组合埋设方式,但同时应采取有效工程措施避免局部产生贯穿性裂缝。     

大型机组蜗壳不同埋设方式的结构开裂分析

三峡电站水轮机组蜗壳采用保压、垫层、直埋3种埋设方式,其中左岸保压方案机组已安全稳定运行,直埋方案为国内首次应用于大型机组。为比较不同埋设方式下的结构开裂及位移等情况,并为垫层方案尤其是直埋方案机组提供借鉴,对蜗壳3种不同埋设方式下的蜗壳流道及外围钢筋混凝土结构进行开裂分析,研究裂缝分布、钢衬钢筋应力、结构位移等问题。计算结果表明：混凝土开裂范围和结构上抬位移均以直埋方案最大,保压方案最小;垫层方案和保压方案差别较小,可以成功运用于三峡机组,而直埋方案只要采取有效的结构加强措施,也能达到安全稳定运行的要求。     

向家坝地下电站蜗壳不同埋设方式的比较分析

 大型机组蜗壳通常采用保压、垫层、直埋3种埋设方式,结合向家坝地下电站工程实际,通过不同蜗壳埋设方式对比计算分析,给出了一种适合该地下电站机组特点的直埋、垫层组合埋设方案。计算结果表明：组合方案具有混凝土应力分布均匀、拉应力值不大,能够充分发挥混凝土联合承载作用等优点,可作为推荐方案。     

接触滑移对不同埋设方式蜗壳结构应力的影响分析

为研究水电站厂房蜗壳的接触滑移对蜗壳结构应力的影响,本文采用三维面面接触单元对不同埋设方式蜗壳结构进行了三维有限元计算。计算结果表明,考虑接触滑移与共节点模型相比,垫层蜗壳外围混凝土孔周应力平均值可降低约30%以上,钢蜗壳应力增加约27%;当摩擦系数由0.25增大到1.00时,蜗壳外围混凝土孔周应力平均值也增大30%左右;而考虑接触滑移与否对直埋蜗壳结构应力影响较小,差值不超过3%。因此,在利用有限元求解蜗壳结构应力时,垫层蜗壳考虑接触作用将使计算结果更加合理,而对于直埋蜗壳,不考虑接触作用对结构应力的影响很小,共节点模型可以在实际工程中采用。     

接触滑移对不同埋设方式蜗壳结构应力的影响分析

水电站厂房蜗壳结构中，蜗壳与外围混凝土之间的接触滑移客观存在。为研究接触滑移对蜗壳结构应力的影响，本文采用三维面面接触单元对不同埋设方式蜗壳结构进行了三维有限元计算。计算结果表明，考虑接触滑移后与共节点模型相比，垫层蜗壳外围混凝土孔周应力平均值可降低约30%以上，而钢蜗壳应力增加约27%；当摩擦系数由0.25增大到1.0时，蜗壳外围混凝土孔周应力平均值也增大30%左右；而考虑接触滑移与否对直埋蜗壳结构应力影响很小，差值不超过3%。因此在利用有限元求解蜗壳结构应力时，垫层蜗壳考虑接触作用将使计算结果更加合理，而对于直埋蜗壳和充水保压蜗壳，不考虑接触作用对结构应力的影响很小，共节点模型仍然可以在实际工程中采用。     

三峡右岸电站15号机组蜗壳采用直埋方案探讨

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.     

三峡右岸电站蜗壳直埋方案研究

机组蜗壳埋入混凝土的方式通常有3种,即垫层埋入法、保压埋入法和直接埋入法.三峡电站机组蜗壳在技术设计阶段研究了保压方案和垫层方案,直埋方案研究是在先期按保压方案设计的基础上进行的.三维线性和非线性有限元模型计算与物理仿真模型试验分析研究,成果表明:直埋方案是合理的,可控制结构应力和基础上抬的变形量,蜗壳外围混凝土有足够的超载能力.     

水电站垫层蜗壳结构研究和应用的现状和发展

结合我国水电站垫层蜗壳结构工程应用的发展近况,介绍了近年来垫层蜗壳结构设计理念的转变,指出了直埋-垫层组合方案将成为未来水电站蜗壳埋设方式选择的发展趋势。总结了垫层蜗壳结构研究发展中取得的两个重要进展——钢蜗壳与外围混凝土联合受力、钢蜗壳与外围混凝土之间滑动摩擦,指出考虑垫层材料的非线性力学性能将是垫层蜗壳结构研究的发展趋势。分别阐述了垫层材料属性和空间属性对蜗壳结构受力特性的影响,在此基础上,归纳了垫层蜗壳结构研究存在的问题,最终提出未来的垫层蜗壳结构研究应强调"控制"的研究理念,视垫层为"控制工具",以全新的视角看待垫层的作用,探求控制蜗壳结构受力特性的理论与方法。     

三峡右岸电站机组蜗壳应力监测成果分析

三峡右岸电站机组蜗壳采用垫层、保压、直埋3种方式埋设。分析了3种不同埋设方式机组蜗壳实测应力在各种工况下的变化情况，并与仿真计算成果进行了比较分析。应力实测结果分析表明：采用垫层、保压和直埋3种埋设方式的机组，在156.0和172.7 m水位条件下运行时，蜗壳的应力均在安全值范围以内，说明机组蜗壳处于安全的运行状态。     

巨型水轮机蜗壳不同埋设方式的结构非线性分析

巨型水轮机蜗壳埋设方式的选择对机组安全运行有重要影响。基于MARC软件对向家坝水电站地下厂房蜗壳结构的不同埋设方式进行三维非线性有限元分析,比较了不同埋设方式下混凝土的裂缝分布、钢材应力、结构位移。结果表明,直埋垫层组合埋设方式具有明显优势,既能充分发挥混凝土的联合承载作用,又能满足结构强度、刚度、限裂、上抬位移等控制标准,是适应于该电站巨型蜗壳的最优埋设方式。      

大型机组直埋式蜗壳结构不同限裂措施的三维非线性分析

 三峡工程右岸电站15＃机组蜗壳采用直接埋入混凝土的方式，采取合理的配筋和有效的结构措施以保证结构安全是研究的重点。通过对采用不同配筋方案及结构措施后的蜗壳及其外围混凝土结构进行三维非线性有限元分析，研究混凝土裂缝分布、钢衬钢筋应力、结构位移等，比较采取不同结构措施所产生的效果。计算结果表明，仅靠增加配筋量不能防止住结构产生贯穿性裂缝和有效降低结构的不均匀上抬位移,延长垫层敷设范围和局部提高混凝土标号对减少混凝土开裂区域、减小裂缝开度、降低定子和下机架基础板的不均匀上抬位移等有明显作用，且局部提高混凝土标号比增加一层钢筋的效果好。     

三峡水电站充水保压蜗壳平面非线性分析

采用自编的三维钢筋混凝土非线性有限元程序，对三峡水电站充水保压蜗壳进行了平面非线性分析，分析了钢蜗壳及外围钢筋混凝土的应力变形特性。非线性计算分析表明，在蜗壳进口断面处，虽然外围混凝土较薄，但在设计内水压力、结构自重和设备重量这些荷载组合作用下，蜗壳进口断面混凝土可能不会开裂，因此钢材应力均比较低，结构具有较高的安全度。说明现有配筋方案钢筋用量可能偏多，没有充分发挥钢材的作用，在进一步设计时可以适当优化。     

充水保压蜗壳与外围结构联合承载过程的力学仿真分析

水电站充水保压蜗壳兼备直埋式与垫层式蜗壳的优点,但受力分析复杂。为此,以一个HD值较高的蜗壳为例,应用三维有限元法研究了充水保压蜗壳与外围结构联合承载的过程,模型和计算过程精细,展示了联合承载过程中各结构的力学规律。结果表明:充水发电时,蜗壳与混凝土大部分区域闭合,脱开的面积约3%;外围混凝土大部分区域处在压应力状态,受拉部位少且拉应力较低,钢筋拉应力较小,此情况被现场观测所证实;采用常用公式或完全用有限法计算,蜗壳承载比的计算结果相差不超过3%;蜗壳充水保压值越低,充水运行期与混凝土的接触压力越大、蜗壳的承载比越小,因此蜗壳宜取较小的充水保压值,有利于减少振动;与常规打压顺序相比,非常规打压顺序不利于蜗壳与混凝土的贴合。此成果为该水电站的蜗壳设计提供了重要参考,电站已全面投产,蜗壳及外围结构工作表现良好。     

土石坝超深混凝土防渗墙变形与受力分析

我国病险土石坝已开始应用超过60 m的超深混凝土防渗墙进行加固。受库水变化和帮坡加载等作用、基岩嵌固条件及墙体材料性能等影响,防渗墙受力复杂多变。结合花凉亭水库大坝除险加固工程,采用Biot固结理论和南水双屈服面弹塑性模型,对混凝土防渗墙在坝体内的变形与受力情况进行三维仿真分析。成果表明:坝体混凝土防渗墙受老坝帮坡加固和库水上升的影响较小;超深混凝土防渗墙建议适当提高抗压强度、降低弹性模量,以满足其受力和耐久性要求;对于非直线型大坝拐弯处的混凝土防渗墙,底部墙体应力会增大,可考虑增设钢筋等措施。研究成果可为超深混凝土防渗墙的设计提供借鉴。     

直埋式蜗壳三维非线性有限元静力计算

直埋式蜗壳具有明显的优势，但在我国迄今尚无实际的工程应用。三峡右岸电站15#机组蜗壳拟采用直埋式方案，蜗壳结构的可靠性、机组运行的稳定性等都需得到数值计算和模型试验的验证。为此，本文运用钢筋混凝土弹塑性断裂损伤模型对该蜗壳结构进行了三维非线性有限元分析，得到了钢材的应力、混凝土损伤范围、混凝土裂缝宽度和结构位移。计算结果表明，直埋方案从强度上可以保证蜗壳结构的安全，若能采用适当的工程措施，将混凝土裂缝宽度限制在规范限定的要求以内，那么三峡右岸电站15#机组蜗壳采用直埋方案是完全可行的。     

Dadinkowa水电站厂房蜗壳外围薄壁混凝土受力分析

针对国内对水轮机蜗壳外围薄壁混凝土结构研究较少、设计经验欠缺的问题,以尼日利亚Dadinkowa水电站厂房续建项目为典型案例,对水电站蜗壳外围薄壁混凝土结构进行设计分析。建立三维有限元模型,分析蜗壳外围混凝土在正常运行工况和检修工况下的应力,提取内力进行配筋计算;建立蜗壳0°断面的平面有限元模型,分析蜗壳顶部及基坑里衬附近混凝土应力,提取弯矩和轴力进行正截面和斜截面承载力计算。结果表明,基坑里衬附近混凝土尺寸较小,最薄处仅约21 cm,压应力峰值位于内侧,为5.67 MPa,未超过C25混凝土抗压强度;拉应力峰值位于外侧,为1.55MPa,最大拉应力范围较小。从而,混凝土尺寸能够满足斜截面抗剪承载力要求,无需另外设置抗剪钢筋。为保障结构安全,采用一期混凝土凿毛4 cm、配合植筋φ16@1×1 m的措施,基坑里衬采用双层双向配筋和C30混凝土,蜗壳及引水钢管顶部设置弯起φ32@15 cm钢筋提高斜截面承载力。设计经验可为同类工程设计提供参考。     

内水压力重复加载作用下蜗壳外围钢筋混凝土的损伤分析

本文分析了三峡电站某直埋式蜗壳结构在内水压力重复加载下的混凝土损伤演变规律和钢蜗壳以及钢筋的受力特性,分析中考虑了钢蜗壳与外围混凝土间的摩擦接触特性,采用弹塑性损伤模型来描述混凝土的受拉损伤特性。研究表明,在历经内水压力的多次加、卸载循环后,蜗壳外围混凝土的损伤程度及范围虽有一定的增加并导致混凝土强度和刚度的相应退化和降低,但经一定的循环次数后,钢衬和钢筋的应力以及混凝土的损伤分布范围和程度将保持稳定状态。蜗壳外围混凝土出现稳定的损伤后,钢衬和钢筋承担的内水压力比例将比线弹性分析结果增大,从而能进一步发挥钢结构的承载作用。     

景洪水电站蜗壳设计

景洪水电站采用联合承载蜗壳结构型式,在国内尚属首例,采用三维非线性有限元方法,对外围钢筋混凝土的开裂荷载、裂缝发展、钢蜗壳和钢筋的应力分布以及蜗壳与机墩的变形特性进行研究,并对蜗壳外围混凝土配筋方案进行复核;同时研究了蜗壳结构动力特性,分析蜗壳自振特性,并进行共振校核,为避免共振的发生提供理论依据。景洪水电站于2009年6月5台机组全部建成投产,至今厂房5台机组的水轮机蜗壳均运行正常,未发现异常振动及漏水现象。