三峡右岸电站蜗壳直埋方案研究（钮新强,谢红兵,刘志明）

摘要: 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。

关 键 词: 直埋方案;机组蜗壳;研究;三峡电站

中图分类号: TK730.3+ 12 文献标识码: A

1 概述

三峡电站是目前世界上在建的最大水电工程，总装机容量22400MW，单机容量700MW。机组蜗壳最大平面尺寸34.3m、进口直径12.4m、最大内压143m水柱，蜗壳HD值高，外围混凝土结构较薄，受力条件复杂，其埋设方式对结构安全性、机组运行稳定性等均有着极其重要的影响，成为设计中的一个关键环节，备受各方关注。

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。总结国内外的工程实践，3种方法均有应用，各国设计部门与制造公司有其惯用做法和自身经验，例如，前苏联由于钢材的限制，多采用垫层方案和直埋方案;我国以往也多采用垫层方案，近期的大型工程和抽水蓄能工程又多采用保压方案;欧美由于蜗壳按压力容器标准控制，需要进行打压试验，以检验结构安全和消除安装应力，多采用保压方案，而在北欧高水头电站中采用直埋方案较多。经研究，三峡电站26台机组中21台机组采用保压方案、4台机组采用垫层方案和1台机组采用直埋方案。直埋方案是在先期按保压方案设计的基础上优化的。

2 研究内容和方法

直埋方案属于钢衬钢筋混凝土联合承载结构，是为解决高HD值管道结构钢衬厚度过大并保证其整体安全性的一种设计理论和工程技术。由于机组直埋方案研究是在先期按保压方案设计的基础上进行的，有其特殊性:①蜗壳已按明管设计;②根据施工程序蜗壳层分为一、二期混凝土，一期混凝土已按保压方案浇筑;③整体而言混凝土厚度较薄。

研究内容包括蜗壳及外围混凝土结构应力、基础变形和结构优化措施。

研究方法采用三维线性和非线性有限元计算及物理仿真模型试验研究。

3 结构计算分析和优化措施

3.1 三维线性有限元计算成果

（1）蜗壳应力普遍较小，远小于其材料的许用应力，85%以上内水压力由混凝土承担，蜗壳承载比在15%以下。说明直埋方案的明蜗壳不能充分发挥承载作用。

（2）混凝土环向拉应力最大值出现在腰线上45°部位内侧，为3MPa左右;混凝土外侧环向拉应力最大值出现在蜗壳180°断面腰线部位，为2.5MPa左右，说明这些部位混凝土将产生裂缝。

（3）环向配筋面积最大计算值每米为39232mm2 ，相当于32根φ40（6层间距15～20cm）的钢筋。

（4）在蜗壳内水压力作用下，各部位的绝对上抬变形及相对上抬变形是不均匀的，一般是管径越大的部位，上抬变形越大。就同一断面而言，下机架基础的上抬变形比定子基础和座环环板的大。基础板的相对上抬变形在1mm左右。

3.2 三维非线性有限元计算成果

根据裂缝、变形及强度控制标准计算了不同配筋方案，结果表明:

（1）蜗壳应力普遍较小，远未达到其材料强度许用值，说明直埋方案的明蜗壳不能充分发挥承载作用。

（2）在设计内压作用下混凝土均出现程度不同的裂缝，内压在1.1MPa左右出现比较明显的裂缝，裂缝产生部位与线弹性计算拉应力较大部位相同（见图1、2略），内部或内缘最大裂缝宽度大多超过0.3mm，表面最大裂缝宽度基本控制在0.3mm以内。

（3）在蜗壳直管段顶部和180°断面腰部出现贯穿性裂缝，增加配筋量能减少裂缝条数和减小裂缝宽度，但不能完全控制贯穿性裂缝的产生。

（4）为了基本控制裂缝宽度，最大配筋需要5层φ40或6层φ40，钢筋最大应力160MPa左右。

（5）下机架基础和定子基础的上抬变形远大于线弹性计算结果，也远大于保压方案计算值。下机架基础和定子基础最大绝对上抬位移分别大于4.0、3.8mm，180°对角相对上抬位移分别大于2.3、2.1mm。

3.3 结构优化措施研究

3.3.1 主要控制指标

主要围绕减小基础相对上抬变形进行研究，控制标准以保压或垫层方案为基础。保压和垫层方案基础上抬变形按线弹性和非线性理论计算结果差别不大，说明三峡电站机组蜗壳保压和垫层方案混凝土基本不开裂。按非线性理论计算，垫层方案定子基础和下机架基础相对上抬变形分别为0.87、1.16mm，保压方案定子基础和下机架基础相对上抬变形分别为0.79、0.97mm，将直埋方案基础相对上抬变形控制在1.2mm左右，与垫层和保压方案相当。

3.3.2 优化措施分析

（1）增加配筋。非线性三维模型计算结果表明:配筋量增加混凝土裂缝分布基本不变，配筋增加40%，下机架基础相对上抬位移减小3%;配筋增加103%，下机架基础相对上抬位移减小18%。增加配筋对混凝土裂缝分布几乎没有影响，对限制缝宽和变形有一定作用，但花的代价很大，效果不是特别明显，不能满足控制结构变形的要求。

（2）局部提高混凝土标号。直埋方案混凝土结构变形较大，原因是混凝土在较大的内压作用下产生较多的裂缝，而要降低混凝土开裂程度，需提高混凝土的抗拉强度。

三峡电站厂房蜗壳层上游侧布置有接力器廊道等，上部为下机架基础，由于受力要求，在机组中心线上游侧廊道顶板设置了厚约2m的C40混凝土。为降低混凝土开裂程度，减小结构上抬变形，研究了将厚约2.0m的C40混凝土范围扩大至机组中心线下游整个蜗壳二期混凝土中。

非线性三维模型计算结果表明，在蜗壳顶部混凝土中设约2m厚C40混凝土，定子基础相对上抬位移减小12.8%以上，下机架基础相对上抬位移减小12.1%以上，对减小上抬变形有一定作用，但仍不能满足控制标准要求。

（3）扩大垫层敷设范围。结构最大相对变形发生在蜗壳0°断面与180°断面之间，要控制结构相对变形值，需尽量减小蜗壳0°断面的绝对变形。

三峡电站蜗壳0°断面距厂坝缝18m，原在上游7.5m长直管段顶部180°范围设置了垫层。为控制基础相对变形，研究了将垫层范围扩大至蜗壳0°断面附近的方案。

非线性三维模型计算结果表明，垫层敷设至蜗壳0°断面比垫层敷设至直管段7.5m处，定子基础相对上抬位移减小11.8%，下机架基础相对上抬位移减小19.8%;垫层敷设至蜗壳45°断面比垫层敷设至蜗壳0°断面，定子基础相对上抬位移减小15.4%，下机架基础相对上抬位移减小15.0%。可见，随着垫层范围的扩大，结构变形将明显减小，垫层敷设至蜗壳45°断面，基础相对上抬位移基本满足控制标准要求。

（4）综合措施。根据以上计算分析可见，扩大垫层敷设范围和局部提高混凝土标号是经济有效的措施。计算结果表明，垫层敷设至蜗壳45°断面、蜗壳顶部混凝土中设约2m厚C40混凝土情况下，采用5层φ40配筋方案和6层φ40配筋方案，其钢筋应力、裂缝分布及宽度、结构变形等均基本相当，定子基础相对上抬位移1.21mm，下机架基础相对上抬位移1.3mm，基本满足控制标准要求。

4 物理仿真模型试验

4.1 试验模型

模型比尺采用1∶12，分别按5层和6层配筋方案模拟，蜗壳直管段5m和7.5m上半圆敷设垫层。6层配筋模型压力钢管伸缩节采用外平压措施模拟，在蜗壳顶部混凝土表面采用附加压重部分缓解了重力不相似问题。

模型制作采用C25商品混凝土，试验期实测抗压强度大于29.8MPa、抗拉强度2.03～2.4MPa、弹性模量27.6～33.6GPa。

4.2 试验成果

根据相似理论，模型几何相似，重力不能完全相似，因此可认为模型的应力近似于原型，模型的位移近似于原型的1/12，模型与原型起裂荷载基本相似，但裂缝宽度目前还不能换算。以下成果中除裂缝的宽度、长度为模型值外，其余均为原型值。

（1）在设计内压1.43MPa作用下，模型混凝土裂缝分布与非线性有限元计算结果比较相似。由于模型混凝土抗拉强度较高，混凝土起裂荷载为1.25MPa左右，大于非线性有限元计算结果。

（2）在设计内压1.43MPa作用下，蜗壳最大应力为79MPa，钢筋最大应力为60MPa，均远小于材料设计强度。模型顶面（相当于定子基础部位）结构绝对上抬变形为2.8mm、相对变形为1.3mm，小于非线性有限元计算结果。

（3）在0～1.43MPa重复荷载作用下，未出现新的混凝土裂缝，原裂缝长度最大增加63%，裂缝宽度最大增加18%～140%，混凝土变形最大增加25%，蜗壳应力最大增加10%，钢筋应力变化较小。重复荷载对结构应力、变形产生一定不利影响。

（4）在超载过程中，混凝土结构应力、变形及裂缝均随内压的增加而增加。超载内压2.4MPa时，除原裂缝长度、宽度有所增加外，超载过程中新增加5条裂缝，原裂缝最大宽度（模型值）由0.346mm增加至0.601mm;蜗壳顶部混凝土绝对上抬变形增加至4.8mm。另一模型在超载内压3.07MPa时，原裂缝宽度（模型值）增加至0.94mm、长度（模型值）由48cm增加至113cm，并在超载过程中新增5条裂缝;钢蜗壳最大应力由79MPa增加至157MPa，钢筋最大应力由60MPa增加至210MPa。可见结构虽有不小的超载能力，但混凝土开裂破坏已比较严重（见图3略）。

（5）结构开裂前，外围混凝土承载比平均为85.5%～91%，内压增加到1.65MPa，外围混凝土承载比依然变化不大，说明即便是出现了少量裂缝，外部混凝土刚度下降仍不明显。当内压超过1.65MPa后，外部混凝土刚度开始明显下降，外围混凝土承载比开始下降，当内压超载到3.07MPa时，外围混凝土承载比平均降到66.0%。

5 结论

通过以上计算分析和模型试验，对三峡右岸电站机组蜗壳直埋方案可以得出以下结论:①钢蜗壳的承载能力没有得到充分发挥;②所采取的综合措施是合理的，控制了结构应力和基础上抬的变形量;③蜗壳外围混凝土有足够的超载能力。

作者简介: 钮新强，男，水利部长江水利委员会副主任，教授级高级工程师。