大型水电站蜗壳结构优化研究

针对溪洛渡水电站蜗壳埋设方式研究中的水泵房墙体贯穿性裂缝问题,采用钢筋混凝土非线性有限元方法进行优化研究。研究结果表明,对于垫层敷设至135°方案,局部增加钢筋或增加墙体厚度均不能阻止贯穿性裂缝的产生,在未采取其他工程措施的条件下,垫层应至少敷设至180°断面。水泵房墙体加厚前后的裂缝分布以及应力状态表明,对于蜗壳这种有限裂要求的大型复杂水工结构,在进行线弹性设计配筋的基础上,还应该进行钢筋混凝土开裂非线性仿真分析,即在考虑混凝土的非线性本构关系、钢筋与混凝土的相互作用关系、混凝土裂缝扩展过程等的基础上,才能设计出既满足机组安全稳定运行要求又经济合理的蜗壳结构。     

垫层铺设范围对水电站蜗壳结构特性的影响分析

基于接触非线性和开裂非线性理论,采用ABAQUS程序对某水电站地下厂房蜗壳结构进行了三维非线性有限元计算,研究了水电站垫层蜗壳结构中垫层平面铺设范围对厂房蜗壳结构特性的影响。研究结果表明:蜗壳结构中垫层平面铺设范围分别自蜗壳进口铺至0°、45°、135°和270°断面时,垫层铺设范围越大,环向钢筋应力和混凝土损伤区域明显减小,相较于0°方案,其他3种方案的最大裂缝宽度和发电机基础不均匀上抬位移均有明显减小。     

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。     

三峡地下电站27号机组蜗壳不同埋设方式下结构静力分析

三峡地下电站27号机组厂房蜗壳外围混凝土结构上下游侧及左侧与基岩相连,其变形会受到基岩的约束作用,受力情况特殊,需进行蜗壳埋设方式研究。采用三维接触非线性有限元法对27号机组段蜗壳流道及其外围混凝土结构和围岩进行分析,为蜗壳埋设方式的选择和配筋设计提供科学依据。研究表明:直埋方案拉应力最大,所需配筋也最多,不经济;垫层方案除局部区域外,拉应力普遍较小,不能充分发挥钢衬钢筋混凝土结构的联合承载作用;组合方案的应力介于直埋方案与垫层方案之间,但下机架基础相对上抬位移接近控制标准。     

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。     

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。     

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。     

巨型水轮机蜗壳软垫层埋设方式可行性论证

对于巨型水电站高HD值的蜗壳,国内外目前多采用打压埋设方式。但垫层蜗壳也有其明显的优点,能否在巨型蜗壳中采用,一直存在疑虑并缺乏工程经验,研究的成果也相对缺乏。以某巨型工程为例,采用数值模拟方法,重点从垫层蜗壳的静力强度、变形特性、整体刚度、自振特性、振动反应和疲劳特性等若干重要方面,对垫层蜗壳埋设方式的可行性加以论证,以期为蜗壳埋设方式的方案选择提供参考依据。     

高混凝土坝蜗壳及软垫层互馈机理探究

垫层作为蜗壳与混凝土之间的传力部分,其材料特性和尺寸对发电机组的稳定运行起着重要作用。为探究垫层蜗壳组合埋入方式对结构特性的影响范围及程度,分析比较了不同垫层材料的物理特性,对软垫层物理尺寸进行了特性分析,在对高压聚乙烯闭孔泡沫板软垫层特性进行详细分析的基础上,对蜗壳与垫层之间的摩擦系数、垫层平面铺设范围进行了研究,最后确定了合适的混凝土重力坝蜗壳垫层。同时详细阐述了蜗壳有限元模型的建立过程,通过选取不同的垫层弹性模量,对正常工况、半数磁极短路、短路三种组合甩负荷工况下的蜗壳进行三维有限元计算,进而分析了蜗壳外混凝土的应力分布规律。结果表明垫层弹性模量对蜗壳外混凝土的应力分布影响显著,弹性模量越大外围混凝土越容易出现应力集中,并导致局部裂缝的出现,而采用软垫层则可以很好地避免此问题。     

水电站厂房蜗壳进口边界条件对止推环作用的影响研究

为了研究水电站厂房蜗壳进口边界条件对止推环作用的影响,采用ANSYS软件对某水电站地下厂房蜗壳结构进行三维有限元计算,研究了蜗壳进口不同边界条件和止推环对蜗壳结构受力特性的影响,提出了蜗壳进口边界条件的合理模拟方法。结果表明:设置伸缩节时,直埋蜗壳方案止推环只承担了不平衡水推力的5. 63%,低于垫层蜗壳方案时的29. 21%。而不设伸缩节时,考虑上游钢管和外包混凝土情况下,上游钢管承担的不平衡水推力相比不考虑上游钢管和外包混凝土的情况减小6%～19%。因此,无论上游钢管是否设置伸缩节,直埋蜗壳均不需设置止推环;对于垫层蜗壳,设置伸缩节时止推环可以起到较为明显的止推作用,但不设伸缩节时上游钢管或加劲环能够代替止推环的作用,可以考虑取消止推环。综合考虑蜗壳进口上游钢管对计算精度的影响、计算模型的复杂性以及计算工作量的增加程度,建议蜗壳计算模型中进口范围取至上游钢管中第一个加劲环,并施加轴向约束。     

156 m水位下三峡水电站15#机组厂房结构的振动安全研究

三峡水电站机组蜗壳HD值高，其埋设方式对厂房和机组的安全稳定运行具有关键的影响。蜗壳直接埋入法相对于垫层埋入法和充水保压埋入法而言，其外围钢筋混凝土承担的内水压力较大，但施工比较简单且节省蜗壳钢材，因此三峡水电站15#机组拟采用直接埋入法。文中在已有静力研究成果的基础上，分析了局部混凝土开裂后的厂房结构的整体自振特性和振动响应，并根据计算结果和振动标准对厂房结构的振动做了安全评价。     

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。     

不同HD值下软垫层蜗壳结构优化分析

应用有限元模型分别对高低两种HD值下的水电站蜗壳结构进行分析,研究了软垫层材料的弹性模量、厚度以及铺设范围对蜗壳结构强度和变形的影响.通过不同HD值下垫层蜗壳的结构分析,得到水电站垫层蜗壳优化设计的规律性认识,进而明确了高HD值下垫层蜗壳结构设计的难点和重点,以及通过垫层优化设计的解决途径,从而进一步说明了高HD值蜗壳采用软垫层结构方案的可行性.     

水电站蜗壳垫层结构研究

应用三维非线性有限元研究了水电站蜗壳垫层的弹性模量、厚度和铺设范围对承载比的影响。为减轻钢蜗壳在上蝶边处的应力集中，提出在蝶形边附近一定范围内不设垫层。如果垫层铺到180°，则恰好该处外包混凝土较薄，易产生混凝土贯穿裂缝，若将垫层下延20°～30°，则该处外包混凝土变厚，可改善垫层末端混凝土受力状态。建议将垫层的厚度与弹模之比作为垫层设计的一个参考指标，并给出厚度与弹模的优化比值，可适用于一定PD值范围的蜗壳，供工程设计参考。     

溪洛渡水电站蜗壳垫层几何参数的选择

结合溪洛渡水电站工程具体情况,采用线性和非线性有限元方法,比较了蜗壳垫层铺设厚度及范围变化时对基础板最大竖向位移、最大裂缝宽度、有无贯穿性裂缝的形成、结构自振特性的影响,选择了较优的垫层几何参数。计算成果及分析方法可为巨型蜗壳结构的优化设计提供参考。     

心墙高塑性黏土与垫层裂缝渗透实验研究

为了从实际工程的角度更深一步地对黏土心墙混凝土垫层裂缝接触冲刷和填充保护进行研究,通过不同的仪器方案的对比以及实验仪器和试验方法的改进,建立了针对黏土心墙混凝土垫层裂缝接触渗流的实验方法。通过不同条件下的渗流特性试验,探讨了混凝土垫层裂缝对坝体抗渗性的影响因素。对试验数据进行分析后,得出以下结论:缝宽的影响,工程中反滤层下的垫层及廊道混凝土裂缝应小于1.0 mm,超过1.0 mm的裂缝应当做适当处理;压应力的影响,当应力达到0.5 MPa及以上时,在反滤层保护下,围压的作用可以延迟接触冲刷破坏的发生;反滤措施的作用和影响,渗透水中进入裂缝的黏土颗粒由于下游反滤层的保护作用逐渐停滞下来并对裂缝进行了填充。