水電站蝸殼保壓澆混凝土結(jié)構(gòu)的三維仿真分析

1、水電站蝸殼保壓澆混凝土構(gòu)造的三維仿真分析摘要：三峽工程水電站廠房蝸殼采用保壓澆外圍混凝土的構(gòu)造形式。為研究鋼蝸殼與外圍混凝土交界面的接觸性態(tài)，分別對冬季和夏季澆混凝土情況進展了模擬施工過程的三維有限元仿真計算，給出了交界面在不同季節(jié)不同水位運行期的傳力和間隙，結(jié)果說明溫度對傳力的影響顯著。對冬季澆筑情況，研究了通過進步保壓水溫來減小高溫季節(jié)高水位運行期的傳力；對夏季澆筑情況，研究了通過降低保壓水頭來減小蝸殼混凝土在低溫季節(jié)低水位運行期的間隙。關(guān)鍵詞：蝸殼保壓澆混凝土溫度效應(yīng)仿真分析三維有限元法溫度變化引起的混凝土和鋼蝸殼間的不協(xié)調(diào)溫度變形會影響兩者間的互相作用，這種互相作用是隨運行季節(jié)變化的，

2、并與澆筑季節(jié)和保壓水溫有關(guān)，因此選擇適宜的澆筑季節(jié)和保壓水溫也同樣重要。假設(shè)再考慮施工過程及混凝土彈模、徐變和水泥水化熱隨時間變化的影響，兩者的互相作用實際上是非常復(fù)雜的，只有通過模擬施工過程的仿真計算才能分析清楚。然而，通常都沒有考慮溫度的影響1，模擬施工過程的仿真分析更是少見。三峽水電站蝸殼采用保壓澆混凝土的構(gòu)造形式，裝機高程57.正常設(shè)計水位175(考慮水擊力的影響，相應(yīng)內(nèi)水壓力為1.395Pa)，初期運行水位135，兩者相差較大。通過有關(guān)研究工作，設(shè)計采用的保壓水頭為70.由于機組臺數(shù)多和工期要求，可能在不同季節(jié)都會有機組施工。一方面，由于保壓水頭較小，低溫季節(jié)澆外圍混凝土的機組在高溫

3、季節(jié)高水位運行時，混凝土構(gòu)造承當(dāng)?shù)暮奢d較大；另一方面，由于初期運行水頭較小，高溫季節(jié)澆外圍混凝土的機組在低溫季節(jié)低水位運行時，鋼蝸殼與混凝土將不能完全貼緊運行。這兩方面可分別采取進步保壓水溫和降低保壓水頭的措施。為此，本文通過三維有限元仿真計算，分析冬、夏季澆筑外圍混凝土情況，在不同季節(jié)、不同水位運行期鋼蝸殼與外圍混凝土交界面的傳力或可能存在的間隙，并研究適宜的保壓水頭和保壓水溫。1計算條件1.1構(gòu)造計算模型三峽工程擋水壩為混凝土重力壩，電站廠房為壩后式。本文取一左岸岸坡壩段機組為研究對象，由于廠壩聯(lián)接段壓力鋼管用墊層管取代了伸縮節(jié)，且墊層管下游端未設(shè)止推環(huán)，大壩的變形將通過墊層管影響到鋼蝸殼

4、的位移以及鋼蝸殼與外圍混凝土間的互相作用，因此計算模型中包括了大壩和墊層管，壩體包括鋼管壩塊及實體壩塊，兩壩塊間為永久橫縫。廠壩間分縫51以下巖坡進展接縫灌漿。主廠房模擬至67，上、下游副廠房只模擬下部實體局部，見圖1、圖2.墊層管長10，其中壩內(nèi)長5.8，廠內(nèi)長4.2.廠內(nèi)段墊層管可分為2段，即一期混凝土2.2段和三期混凝土2.0段。鋼蝸殼進口位于墊層管下游端的下游側(cè)1.1處。圖1大壩及廠房立體(含局部根底)圖2廠房橫剖面1.2材料參數(shù)(1)鋼管、座環(huán)和固定導(dǎo)葉等鋼材：E=210GPa，=0.30，=1.210-5/,=78.0kN/3；蝸殼鋼板厚度2064.(2)基巖：廠房基巖E=26GP

5、a；大壩基巖E=1026GPa；=0.23，=0.8510-5/，導(dǎo)溫系數(shù)a=0.0832/d.(3)大壩混凝土：E=26GPa，=0.167，=0.8510-5/,a=0.0832/d.(4)鋼蝸殼與外圍混凝土交界面：摩擦系數(shù)f=0.5.(5)廠房混凝土：=0.167，=0.8510-5/，a=0.0832/d,=24.5kN/3；彈模、絕熱溫升和徐變度分別見式(1)式(3)，不計混凝土自身體積變形。E(t)=33.0t/(5.12+t)(單位：GPa)(1)Q(t)=24.2(1-e-0.837t0.849)(單位：)(2)(t,)=1()(1-e-0.3(t-)+2()(1-e-0.00

6、5(t-)(單位：10-6/Pa)(3)式中：t混凝土齡期(d);加荷齡期(d)；1()=7.58+183.1/；2()=12.4+35.3/。1.3主要邊界溫度曲線T(t)及外表放熱系數(shù)(1)與大氣接觸的構(gòu)造外外表T(t)=17.35+11.55sin(t-108.8)()，=15.1/2(4)式中：t時間(d)，以1月1日為原點；=2/365，下同。廠房混凝土澆筑期間，廠房左右兩側(cè)邊界也按式(4)考慮，以后按絕熱邊界考慮。(2)運行期上、下游副廠房內(nèi)外表和主廠房67外表T(t)=22.0+8.0sin(t-120.0)(),=5.13/2(5)(3)運行期引水壓力管道和蝸殼內(nèi)外表T(t)=

7、17.53+8.5sin(t-130.0)(),=2326/2(6)(4)運行期大壩上游外表。運行期庫水位以下的大壩上游外表采用庫水水溫邊界條件，庫水溫度曲線隨高程變化。1.4施工過程廠房混凝土澆筑層厚1.53.0，分4區(qū)，對角兩區(qū)同時澆筑，間歇期78d，15d澆一層。分別模擬了冬季和夏季澆外圍混凝土情況，施工過程見表1.廠房混凝土入倉溫度見表2.1.5保壓水溫與保壓水頭對冬季澆筑外圍混凝土情況，在保壓水頭70條件下，研究了保壓水溫控制措施，共計算了3種方案：(1)無保溫措施：蝸殼內(nèi)水體取當(dāng)時河水，水體初溫11.7，鋼蝸殼外外表取氣溫邊界條件(4)；(2)采取保溫措施：水體初溫16，鋼蝸殼外外

8、表采用泡沫塑料保溫，=2.0/2。(3)采取加溫措施：水體溫度低于22時就加溫，計算時鋼蝸殼內(nèi)外表取恒溫22，外外表按絕熱考慮。在(1)、(2)方案中，保壓水體同樣劃分單元參加計算，水的導(dǎo)溫系數(shù)為0.012382/d.以上鋼蝸殼外外表邊界條件僅適用于尚未被混凝土覆蓋的區(qū)域。表1廠房施工過程施工工程冬季澆外圍混凝土情況(年.月)夏季澆外圍混凝土情況(年.月)一期混凝土1999.102000.41999.92000.4二期(外圍)混凝土2000.122001.22000.62000.9卸壓2001.32000.9壓力鋼管合攏2001.42000.10三期混凝土2001.52001.82000.11

9、2001.2表2廠房混凝土入倉溫度()區(qū)域11月3月4月10月5月9月強約束區(qū)自然2016弱約束區(qū)自然2018脫離約束區(qū)自然2020對夏季澆筑外圍混凝土情況，蝸殼內(nèi)水體取當(dāng)時河水，水體初溫25.5，在無保溫措施情況下，計算了兩種保壓水頭方案：70和62.轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.2計算方法2.1溫度場計算引水壓力管道合攏前，考慮到壩體混凝土已強迫冷卻到穩(wěn)定溫度廚行縱縫灌漿，因此先計算在邊界氣溫作用下的壩體準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場，在此根底上，進展模擬廠房蝸殼保壓澆混凝土施工過程的溫度場仿真計算，廠房混凝土按自然冷卻考慮。瞬態(tài)溫度場的計算采用在空間上用有限元離散、在時間上用向后差分的隱式差分格式2。計算采用自行

10、開發(fā)的溫度場仿真計算程序3DUSTPG.2.2應(yīng)力與變形仿真計算在獲得大壩與廠房的溫度場后進展應(yīng)力與變形分析，將大壩和廠房作為整體進展仿真計算，從廠房混凝土澆筑開場至運行期，模擬廠房混凝土保壓澆筑過程和卸壓、運行期加壓過程以及由此引起的鋼蝸殼與外圍混凝土間的接觸問題和水庫蓄水過程等，考慮了自重、溫度和徐變的影響。其中，采用初應(yīng)變法2，3考慮徐變的影響，接觸面單元物理方程見文獻4。計算采用自行開發(fā)的可同時考慮混凝土溫度徐變影響和縫面接觸問題的構(gòu)造仿真分析程序3DRPG.2.3有限元方程組的快速解法計算范圍包括壩體、廠房水下構(gòu)造、鋼管和局部巖基。為適應(yīng)仿真計算的需要，廠房根本上按分層分區(qū)劃分網(wǎng)格，

11、各澆筑層分兩層單元，整個計算模型共劃分結(jié)點50927個，單元45632個。應(yīng)力分析時總自由度最后將近14.5萬個，不僅計算規(guī)模大、計算時段多，而且還要進展接觸問題非線性迭代，計算工作量相當(dāng)龐大。為此，在3DUSTPG和3DRPG程序中采用筆者提出的對稱逐步超松馳預(yù)處理共軛梯度迭代法(SSR-PG)的改良迭代格式5作為求解器，與常用的大型有限元方程組的一維變帶寬存儲的三角形分解直接解法相比，在存儲量和計算工作量方面都降低一個數(shù)量級以上，使得在微機上快速求解大型問題成為可能。方程組的規(guī)模越大，其效率更加顯著。由于計算工作量少，計算舍入誤差也校3計算成果2022年7月水庫蓄水至135，同年10月機組

12、投入運行。2022年汛后蓄水至175，下游設(shè)計洪水位76.4.仿真計算是從廠房混凝土澆筑開場至2022年止，幾個主要特征時刻的計算成果見表3表4.3個特征點A、B、的位置見圖2.初期水位運行期的計算成果為2022年的計算結(jié)果，且未考慮水擊力的影響；正常水位運行期的計算成果是2022年的計算結(jié)果，考慮了水擊力的影響。計算中考慮了管內(nèi)水重的影響。表中結(jié)點的傳壓(即鋼蝸殼與外圍混凝土間交界面的法向接觸應(yīng)力)或間隙是由接觸面單元形心的值按單元面積繞節(jié)點加權(quán)平均獲得，而平均傳壓或間隙是由蝸殼段所有接觸面單元形心的值按單元面積加權(quán)平均獲得。由這些成果表中可見，間隙或傳壓的分布是不均勻的。3.1冬季澆外圍混

13、凝土情況3.1.1無保溫措施從表3可見，卸壓前夕(2月份)，平均傳壓0.12Pa.到初期水位運行期冬季(1月份，下同)，平均傳壓只有0.10Pa，說明此時的內(nèi)水壓力由鋼蝸殼承當(dāng)。運行季節(jié)一樣時，正常水位運行期比初期水位運行期的平均傳壓大0.450.49Pa，約占內(nèi)水壓力增量(0.62Pa)的76%.運行水位一樣時，夏季運行期(7月份，下同)比冬季運行期的平均傳壓大0.300.34Pa，約為剩余水壓的46%.可見，溫度對傳壓的影響是顯著的。利用夏冬兩季3個特征點處鋼板的溫差及其外圍3厚混凝土內(nèi)的平均溫差以及平面應(yīng)變問題的組合圓環(huán)軸對稱溫度接觸應(yīng)力公式，這種影響得到了驗證。正常水位運行期夏季的平均

14、傳壓為0.89Pa，超過了剩余水壓。3.1.2采取保溫措施采取保溫措施后，平均傳壓雖有所減小，但幅度很小，僅0.02Pa，可見采取保溫措施并不能有效地減小傳壓。從溫度場來看，由于泡沫塑料保溫主要對短期的溫度驟變(如寒潮襲擊)有效，而且上半圓蝸殼長時間處于低溫空氣中，澆筑到高程58時，采取保溫措施情況的上半圓蝸殼鋼板溫度只有7.47，比無保溫措施情況只高1.37，時間越長，兩者的溫度越接近。由于上覆混凝土水泥水化熱溫升的影響，卸壓時上半圓蝸殼鋼板溫度上升到16.4。3.1.3采取加溫措施從表3可見，采取加溫措施后，正常水位運行期夏季的平均傳壓為0.73Pa，比無保溫措施情況減小0.16Pa，說明

15、加溫措施可比擬有效地減小傳壓。初期水位運行期冬季尚存在間隙，平均間隙為0.53，接觸部位主要在下半圓和上座環(huán)附近。表3冬季澆筑外圍混凝土情況蝸殼與混凝土界面的間隙和傳壓時間無保溫措施加溫措施間隙/傳壓/Pa間隙/傳壓/PaA點B點點平均A點B點點平均A點B點點平均A點B點點平均卸壓前夕-0.110.100.160.12-0.010.040.110.07初期運行期冬季-0.050.190.160.100.440.76-0.53-0.040.06初期運行期夏季-0.300.640.610.44-0.130.510.210.27正常運行期冬季-0.520.820.630.59-0.310.680.3

16、30.43正常運行期夏季-0.761.091.130.89-0.530.950.840.733.2夏季澆外圍混凝土情況3.2.1保壓水頭70正常水位運行期夏季的平均傳壓為0.68Pa，比冬季澆筑情況且無保溫措施情況(表3)小0.21Pa.初期水位運行期冬季，相當(dāng)一局部區(qū)域尚存在間隙，平均間隙為0.66，比冬季澆外圍混凝土但采取加溫措施情況的0.53大24.5%.3.2.2保壓水頭62正常水位運行期夏季的平均傳壓為0.75Pa，比保壓水頭為70情況大0.08Pa.初期運行期冬季尚存在間隙，平均間隙為0.47，比保壓水頭為70情況減小0.19，比冬季澆外圍混凝土但采取加溫措施情況的0.53小11.

17、3%，接觸部位也主要在下半圓和上座環(huán)附近?？傮w上說，本計算方案與冬季澆外圍混凝土且采取加溫措施情況的計算結(jié)果是接近的，前者間隙稍小些，但傳壓略大些。表4夏季澆筑外圍混凝土情況蝸殼與混凝土界面的間隙和傳壓時間保壓水頭70保壓水頭62間隙/傳壓/Pa間隙/傳壓/PaA點B點點平均A點B點點平均A點B點點平均A點B點點平均卸壓前夕-0.050.070.100.07-0.060.070.100.08初期運行期冬季0.621.24-0.66-0.160.070.230.88-0.47-0.160.07初期運行期夏季-0.120.330.430.22-0.150.460.430.28正常運行期冬季-0.3

18、40.540.520.38-0.350.670.570.44正常運行期夏季-0.610.831.050.68-0.620.951.100.75綜合上述計算成果，冬季澆外圍混凝土的機組采取加溫措施維持保壓水溫22對減小蝸殼外圍混凝土的受力以及夏季澆外圍混凝土的機組采取62低保壓水頭對減小低水位運行期鋼蝸殼與外圍混凝土交界面的間隙都是可行和比擬有效的。鑒于采取這兩種措施后，在初期低水位運行期尚有相當(dāng)一局部交界面存在間隙，因此冬季澆外圍混凝土情況的保壓水溫還可適當(dāng)降低，而夏季澆外圍混凝土的保壓水頭可適當(dāng)下調(diào)或通河水適當(dāng)降低保壓水溫。由于實際工程條件非常復(fù)雜，因此施工中要對保壓水溫進展監(jiān)測，并適時適當(dāng)調(diào)節(jié)現(xiàn)場保壓水頭和保壓水溫。4結(jié)語由于鋼蝸殼與外圍混凝土的線膨脹系數(shù)及溫差不同，兩者的溫度變形不協(xié)調(diào)，當(dāng)鋼蝸殼的外脹溫度變形大于外圍混凝土的溫度變形時，在兩者交界面上就會產(chǎn)生溫度接觸應(yīng)力，從而增大混凝土承當(dāng)?shù)暮奢d，三峽水電站蝸殼的計算結(jié)果說明這種影響是顯著的，設(shè)計中要予以考慮；反之，在低水位運行時，在交界面可能存在間隙，混凝土無助于機組抗振。應(yīng)結(jié)合實際工程的詳細情況和側(cè)重點，認真研究保壓水頭和保壓水溫。本文研究對象雖然是保壓澆外圍混凝土的水電站蝸殼，但所