水电站蜗壳保压浇混凝土结构-三维仿真分析

1、水电站蜗壳保压浇混凝土结构-三维仿真分析            摘要：三峡工程水电站厂房蜗壳采用保压浇外围混凝土的结构形式。为研究钢蜗壳与外围混凝土交界面的接触性态，分别对冬季和夏季浇混凝土情况进行了模拟施工过程的三维有限元仿真计算，给出了交界面在不同季节不同水位运行期的传力和间隙，结果表明温度对传力的影响显著。对冬季浇筑情况，研究了通过提高保压水温来减小高温季节高水位运行期的传力；对夏季浇筑情况，研究了通过降低保压水头来减小蜗壳混凝土在低温季节低水位运行期的间隙。 关键词：

2、蜗壳 保压浇混凝土 温度效应 仿真分析 三维有限元法  温度变化引起的混凝土和钢蜗壳间的不协调温度变形会影响两者间的相互作用，这种相互作用是随运行季节变化的，并与浇筑季节和保压水温有关，因此选择合适的浇筑季节和保压水温也同样重要。若再考虑施工过程及混凝土弹模、徐变和水泥水化热随时间变化的影响，两者的相互作用实际上是十分复杂的，只有通过模拟施工过程的仿真计算才能分析清楚。然而，通常都没有考虑温度的影响1，模拟施工过程的仿真分析更是少见。三峡水电站蜗壳采用保压浇混凝土的结构形式，装机高程57m.正常设计水位175m(考虑水击力的影响，相应内水压力为1.395MPa)，初期运行水位135m

3、，两者相差较大。通过有关研究工作，设计采用的保压水头为70m.由于机组台数多和工期要求，可能在不同季节都会有机组施工。一方面，由于保压水头较小，低温季节浇外围混凝土的机组在高温季节高水位运行时，混凝土结构承担的荷载较大；另一方面，由于初期运行水头较小，高温季节浇外围混凝土的机组在低温季节低水位运行时，钢蜗壳与混凝土将不能完全贴紧运行。这两方面可分别采取提高保压水温和降低保压水头的措施。为此，本文通过三维有限元仿真计算，分析冬、夏季浇筑外围混凝土情况，在不同季节、不同水位运行期钢蜗壳与外围混凝土交界面的传力或可能存在的间隙，并研究合适的保压水头和保压水温。1 计算条件1.1 结构计算模型 三峡工

4、程挡水坝为混凝土重力坝，电站厂房为坝后式。本文取一左岸岸坡坝段机组为研究对象，由于厂坝联接段压力钢管用垫层管取代了伸缩节，且垫层管下游端未设止推环，大坝的变形将通过垫层管影响到钢蜗壳的位移以及钢蜗壳与外围混凝土间的相互作用，因此计算模型中包括了大坝和垫层管，坝体包括钢管坝块及实体坝块，两坝块间为永久横缝。厂坝间分缝51m以下岩坡进行接缝灌浆。主厂房模拟至67m，上、下游副厂房只模拟下部实体部分，见图1、图2.图1 大坝及厂房立体(含部分基础)图2 厂房横剖面1.2 材料参数 (1)钢管、座环和固定导叶等钢材：E=210GPa，=0.30，=1.2×10-5/,=78.0kN/m3；蜗

5、壳钢板厚度2064mm.(2)基岩：厂房基岩E=26GPa；大坝基岩E=1026GPa；=0.23，    2007-04-23        =0.85×10-5/，导温系数a=0.083m2/d.(3)大坝混凝土：E=26GPa，=0.167，=0.85×10-5/,a=0.083m2/d.(4)钢蜗壳与外围混凝土交界面：摩擦系数f=0.5.(5)厂房混凝土：=0.167，=0.85×10-5/，a=0.083m2/d,=24.5kN/m3；

6、弹模、绝热温升和徐变度分别见式(1)式(3)，不计混凝土自身体积变形。E(t)=33.0t/(5.12+t) (单位：GPa)(1)Q(t)=24.2(1-e) (单位：)(2)C(t,)=C1()(1-e-0.3(t-)+C2()(1-e-0.005(t-) (单位：10-6/MPa)(3)式中：t混凝土龄期(d);加荷龄期(d)；C1()=7.58+183.1/；C2()=12.4+35.3/。1.3 主要边界温度曲线T(t)及表面放热系数(1)与大气接触的结构外表面T(t)=17.35+11.55sin(t-108.8)()，=15.1w/m2(4)式中：t时间(d)，以1月1日为原点；

7、=2/365，下同。厂房混凝土浇筑期间，厂房左右两侧边界也按式(4)考虑，以后按绝热边界考虑。(2)运行期上、下游副厂房内表面和主厂房67m表面T(t)=22.0+8.0sin(t-120.0)(), =5.13w/m2(5)(3)运行期引水压力管道和蜗壳内表面T(t)=17.53+8.5sin(t-130.0)(), =2326w/m2(6)(4)运行期大坝上游表面。运行期库水位以下的大坝上游表面采用库水水温边界条件，库水温度曲线随高程变化。    2007-04-23       

8、 1.4 施工过程 厂房混凝土浇筑层厚1.53.0m，分4区，对角两区同时浇筑，间歇期78d，15d浇一层。分别模拟了冬季和夏季浇外围混凝土情况，施工过程见表1.厂房混凝土入仓温度见表2.1.5 保压水温与保压水头 对冬季浇筑外围混凝土情况，在保压水头70m条件下，研究了保压水温控制措施，共计算了3种方案：(1)无保温措施：蜗壳内水体取当时河水，水体初温11.7，钢蜗壳外表面取气温边界条件(4)；(2)采取保温措施：水体初温16，钢蜗壳外表面采用泡沫塑料保温，=2.0w/m2。(3)采取加温措施：水体温度低于22时就加温，计算时钢蜗壳内表面取恒温22，外表面按绝热考虑。在(1)、(2

9、)方案中，保压水体同样划分单元参加计算，水的导温系数为0.01238m2/d.以上钢蜗壳外表面边界条件仅适用于尚未被混凝土覆盖的区域。表1 厂房施工过程施工项目冬季浇外围混凝土情况(年.月)夏季浇外围混凝土情况(年.月)一期混凝土1999.102000.41999.92000.4二期(外围)混凝土2000.122001.22000.62000.9卸 压2001.32000.9压力钢管合拢2001.42000.10三期混凝土    2007-04-23        2001.

10、52001.82000.112001.2表2 厂房混凝土入仓温度()区域11月3月4月10月5月9月强约束区自然2016弱约束区自然2018脱离约束区自然2020对夏季浇筑外围混凝土情况，蜗壳内水体取当时河水，水体初温25.5，在无保温措施情况下，计算了两种保压水头方案：70m和62m.    2 计算方法2.1 温度场计算 引水压力管道合拢前，考虑到坝体混凝土已强迫冷却到稳定温度厨行纵缝灌浆，因此先计算在边界气温作用下的坝体准稳定温度场，在此基础上，进行模拟厂房蜗壳保压浇混凝土施工过程的温度场仿真计算，厂房混凝土按自然冷却考虑。瞬态温度场的计算采用在空

11、间上用有限元离散、在时间上用向后差分的隐式差分格式2。计算采用自行开发的温度场仿真计算程序3DUSTPCG.    2007-04-23        2.2 应力与变形仿真计算 在获得大坝与厂房的温度场后进行应力与变形分析，将大坝和厂房作为整体进行仿真计算，从厂房混凝土浇筑开始至运行期，模拟厂房混凝土保压浇筑过程和卸压、运行期加压过程以及由此引起的钢蜗壳与外围混凝土间的接触问题和水库蓄水过程等，考虑了自重、温度和徐变的影响。其中，采用初应变法2，3考虑徐变的影响，接触面单元物理方程见文献4。计算采用自行开发的可同时考虑混凝土温度徐变影响和缝面接触问题的结构仿真分析程序3DCRCPCG.2.3 有限元方程组的快速解法 计算范围包括坝体、厂房水下结构、钢管和部分岩基。为适应仿真计算的需要，厂房基本上按分层分区划分网格，各浇筑层分两层单元，整个计算模型共划分结点50927个，单元45632个。应力分析时总自由度最后将近14.5万个，不仅计算规模大、计算时段多，而且还要进行接触问题非线性迭代，计算工作量相当庞大。为此，在3DUSTPCG和3DCRCPCG程序中采用