缅甸Kyeeon Kyeewa水电站蜗壳外围混凝土结构设计.pdf

第 4 7卷第 5期 2 0 1 1年 5月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 Gn m u W a t e r Co n s e r va nc y a nd Hy d r o p o we r Te c h no l o g y Vo 1 4 7 N o 5 Ma y， 2 01 1 设计 与研 究 缅甸 Ky e e o n Ky e e w a水电站蜗壳外围混凝土结构设计 何岚 ( 广东省水利电力勘测设计研究院， 广东 广州5 1 0 6 3 5 ) 摘要： 详细介绍了缅甸 e e o nK y e e w a 水电站蜗壳外围混凝土结构设计的特点， 并根据结构设计特点， 引进有限元 数值分析的方法进行结构的应力和配筋计算。计算结果表明， 电站的蜗壳混凝土结构设计合理。 关键词 ： K y e e o nK y e e w a水电站 ； 蜗壳外围混凝土； 弹性垫层 中图分类号： T V 3 3 1 文献标识码 ： B 文章编号： 2 0 9 5 0 1 4 4 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 2 1 0 2 1 前言 缅甸 K y e e o nK y e e w a水电站工程项 目位于缅甸 M o n e 的干流上 ， Mo n e是 A y e y a r w a d y河 的一个 支 流 ， K y e e o n K y w a 水电站是以发电为主， 兼顾灌溉的多功能水电项 目， 电站装机容量 7 0 MW。该工程为 等大( 2 ) 型工程 ， 主要建 筑物包括大坝 、 电站引水钢管、 灌溉管、 发电厂房及变电站 等 ， 主要建筑物为 2级， 次要建筑物为 3级。 大坝为黏土心墙 土石坝， 溢洪道布置在大坝左岸， 引水发电管及导流明渠位 于大坝右岸 ， 电站为引水式坝后厂房。大坝及溢洪道是在 日 本指导下由缅方设计施工。中方设计项 目为引水和发电系 统 ， 包括电站引水渠、 进水塔、 引水钢管、 灌溉管、 发电厂房、 升压站及厂区布置 ， 土建施工由缅方负责。 2 蜗壳外围混凝土结构设计 2 1 蜗 壳外围混凝土结构设计 K y e e o n K y e e w a 水电站工程水轮机蜗壳为金属蜗壳， 其 外围为大体积混凝土。二期混凝土顶高程为 6 5 2 1 1 I n ， 底高 程为 5 7 钙 m， 平面尺寸 4 0 5 0 0mx l 6 0 0 0 rex 7 7 3 1 m( 长x 宽 高) 。 根据电站蜗壳设计水头的高低 ， 常规电站的金属蜗壳与 外围大体积混凝土之间有不设弹性垫层、 设置弹性垫层和蜗 壳充水保压等 3种结构型式。其中， 不设弹性垫层的结构由 蜗壳及其外围混凝土结构联合承受所有内水压力， 混凝土的 配筋往往较大； 而对于设置弹性垫层和蜗壳充水保压两种结 构型式 ， 部分内水压力 由蜗壳单独承担 ， 部分内水压力 由蜗 壳及其外围混凝土联合承担， 既保证了蜗壳与外围混凝土的 紧密接触 ， 又可减少外围混凝土的受力和配筋， 但充水保压 的结构型式施工难度较大 ， 要求较高。 因此， 对于水头不大的 常规电站来说 ， 常常采用设置弹性垫层的结构型式。 电站设计水头为 3 4 3 m， 同时考虑工地实际的施工条 件 ， 采用在蜗壳及其外 围混凝土之间设置 3 0 m m厚弹性垫 层的结构方案 ， 弹性垫层采用聚乙烯材料 ， 材料的弹性模量 = 2 0 - 4 ， 0 MP a 。 2 _ 2 蜗壳外围混凝土设计荷载 蜗壳的最大水头为 3 6 2 m， 最大水锤压力为 7 5 m 。内水 压力主要由蜗壳 自身承担 ， 部分水压通过弹性垫层 ， 传递给 外围混凝土。 蜗壳外围混凝土的自重及其上部荷载由外 围混 凝土承担。上部荷载包括定子基础轴向最大荷载 6 x 4 2 6 k N ， 切 向最大荷载 6 x 2 8 5 k N ；下机架基础轴向最大荷载 6 x 2 6 4 k N， 切向最大荷载 6 x 4 5 k N； 最大短路扭矩为 1 1 9 5 7 k N E li ； 制动时下机架基础所受扭矩 7 3 0 k N m。 2 3 蜗壳混凝土结构主要力学参数 主要力学参数如表 1 所列。 表 1 蜗壳及其外包结构主要力学参数 蜗壳钢衬厚 1 8 2 5 m i l l ， 计算时取平均值 2 0 in l n 。 2 4 计算工况及计算断面选取 电站在运行过程中， 蜗壳外围混凝土的应力和配筋受以 下两种极端工况控制： ( 1 ) 工况 1 完建工况 蜗壳无 内水压力， 蜗壳外围混凝土的上部载荷及其 自重 荷载全部由蜗壳外围混凝土承担， 不考虑钢衬的作用。考虑 到图 1中断面 6的蜗壳外围混凝土厚度较小， 对其外侧应力 和配筋起控制作用 ， 因此， 取断面 6 进行工况 1 的计算。 ( 2 ) 工况 2 甩负荷工况 蜗壳及其外围混凝土联合承担甩负荷时蜗壳内的水锤压 力， 蜗壳外围混凝土还承担上部结构传递下来的荷载。 考虑到 机墩进人孔对断面 7的削弱( 图 1 ) ， 该部位对蜗壳内侧 的应 力及其配筋起控制作用， 因此 ， 取断面 7 进行工况 2的计算。 2 5 计算结果分析 蜗壳的应力计算采用数值分析的方法，计算采用 a n s y s 有限元计算程序。 ( 1 ) 工况 1 计算及结果 工况 1 的计算模型网格及计算简图如图2 、 3所示。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 4 - 0 8 作者简介： 何岚( 1 9 6 4 一 ) ， 女， 海南人， 工程师 ， 学士， 主要从事水利水电工程设计。 2 1 2 0 1 1 年第 5期 甘肃水利水电技术 第 4 7卷 1 击5 5 o o 謇 - 卜 断面 I 善 1 图 1 蜗 壳断面 平面 图 t 。 。 u J u ，l u ， 目 目 一 脯 一 吲 l Y 图 2 工况 1 有限元计算网格模型 g 图 3 工况 1 计算截面简图 工况 1 的计算截面第一主应力分布如图 4所示， 工况1 的蜗壳外包混凝土的最大拉应力为0 0 5 2 M P a ， 远小于混凝土 的抗拉强度设计值 1 3 0 0 MP a ， 混凝土结构按构造进行配筋。 图4 工况 1计算断面第一主应力分布图 P a 22 ( 2 ) 工况 2计算及结果 工况 2的计算模型网格及计算简图如图5 、 图6所示。 图5 工况2有限元计算网格模型 I l 图 6 工况 2计算截面简图 工况 2的计算截面第一主应力分布如图7所示 ， 从中选 取 5 个断面进行配筋计算。 图 7 工况2计算断面第一主应力 分布图及配筋计算截面位置图 P a 按照 水工混凝土结构设计规范 中非杆件体系钢筋混 凝土结构配筋计算原则 ， 对上述蜗壳断面进行应力配筋计 算。应力图形偏离线性分布较大时， 受拉钢筋截面面积应当 满足下式要求 ： ( 0 6 T + f y A。 ) ( 1 ) ( 下转第 3 2页 ) r _ _ _ _ _ i L T I_ 。 2 0 1 1年第 5期 甘肃水利水 电技术 第 4 7卷 1 2 0 0左右 ， 库玛拉克河年径流多年平均径流量 4 8 0 7 x l 0 8 m ， 全长 3 2k m的渠道， 总跌差 1 7 7 I n ， 水能理论蕴藏量 2 1 5M W， 完全具备梯级开发建设的条件 ， 但是当时该工程被列入 塔 里木河流域近期治理规划阿克苏河流域灌区节水工程 ， 属 于节水改造工程 ， 对于该项 目是否结合发电一起考虑 ， 设计 单位当时专门组织了相关建设方进行开会讨论 ， 但由于各种 原因， 电站投资方不愿承担相应的工程投资 ， 最后初步设计 工程布置中仅考虑按照灌溉渠道的布置 ， 未和梯级电站的规 划一起考虑 ， 当地政府和管理单位只能将项 目纳入水利基本 建设 ， 申请国家投资， 就没有考虑发电， 工程建成后不久 ， 又 由国电公司在渠道上投资建设渠道梯级电站 ， 使部分干渠变 成了 “ 干” 渠 ， 造成了国家投资很大的浪费。 3 2 工程设计和运行中存在问题 ( 1 ) 泥沙淤积和磨蚀问题 库玛拉克河东岸总干渠接 1 9 9 9年建成的库河龙头工程 协合拉引水枢纽 ， 渠道直接连接引水枢纽， 没有在闸后或是 渠道的某一段合适的位置对泥沙再次进行处理 ， 导致运行过 程中， 大量推移质进入渠道， 造成渠道糙率发生变化( 原设计 按照混凝土衬砌断面， 取值为 0 0 1 7 ， 运行后渠底有砂砾石， 糙率变大) ，运行过程中运行管理单位测量的渠道流量小于 设计流量 ， 特别明显是渡槽断面， 渡槽前雍水较高， 明显过流 不足， 分析原因是因为按照混凝土渠道的糙率设计渡槽进出 口衔接段， 渡槽进口前的渠道底板低于槽底进 口高程 ， 实际 运行过程中， 由于泥沙淤积 ， 渡槽前渠道渠底被泥沙淤平， 改 变了纵坡和糙率， 由于当时设计没有考虑泥沙淤积对纵断面 和糙率的影响， 造成实际过流能力不足 ， 后期不得不对渡槽 进行了加高改建。 库车河总干渠前段渠道当时考虑水流含沙量大， 采用浆 砌卵石的衬砌断面， 但是 3 0 c m厚的浆砌卵石渠底经过几年 运行， 被磨蚀成不足 1 0 c m厚 ， 由此看来， 磨蚀是相当严重。 ( 2 ) 冰凌问题 在新疆的南疆地区， 一般引水渠首的冰凌问题不是很严 重 ， 而且灌溉渠道冬季一般不运行， 因此工程设计没有考虑 冰凌问题， 但是由于后来在渠道上建成了梯级电站， 协合拉 引水枢纽冬季要雍水运行 ，工程建成遭遇了2 0 0 8 年冬季的 极端寒冷天气 ， 造成大量冰凌流入渠道 ， 渠道上的结冰和沿 程流凌结冰后形成冰块，淤堵了渠道上约 7座格栅消力池 ， 建筑物被冰凌封堵 ， 不能正常运行。 4 结语 ( 1 ) 对出山口渠道 ， 一般地形纵坡较大， 可以利用地形 纵坡进行水电梯级开发，因此在出山口渠道的建设过程中， 要认真做好规划 ， 做好梯级衔接， 使综合效益最大， 在水电站 未上马前可以考虑使用跌水或陡坡代替输水渠道， 避免建设 两条平行渠道。 ( 2 ) 在多沙河流 ， 渠首的泥沙处理能力一般较弱 ， 必须 考虑的渠首后的渠道中设计沉沙建筑物， 减少泥沙对渠道的 淤积和磨蚀。 ( 3 ) 在北方寒冷和严寒的地区， 冬季运行的渠道必须考虑 冰凌问题， 在建筑物设计上， 尽量减少雍水建筑物 ， 避免采用 格栅式消能工， 在可能的情况下， 应该加大渠道的设计流速。 ( 上接 第 2 2页) 式中： 卜由荷载设计值 ( 包含结构重要性系数 及设计 状况系数 妒 ) 确定的弹性总压力 ， T - A b ， 在此， A 为弹性应力图中主拉应力图形总面积， b为结构 截面宽度 ， b = l m； 卜混凝土承担的拉力， ； A ，在此 ， A 为弹性应 力图形中主拉应力值小于混凝土轴心抗拉强度 设计值 的图形面积； 疗 一 钢筋的抗拉强度设计值， 取f e 3 1 o N m m ： ； 坩一钢筋混凝土的结构系数， 取 1 2 。 从计算结果中得出各断面主拉应力图形总面积 A和 A ， A 的取值视截面受拉区高度而定， 当受拉区高度大于截 面高度的 2 3时A = O ，即取： = 0 ，且 不宜超过总拉力的 3 0 ， 由于偏安全考虑， 采用主拉应力配筋， 取 A = O则 ， 计算 得到的各计算断面主拉应力图形总面积为： A 。 = O 4 2 x l 0 6 ， A 2 = 0 3 3 x l 0 6 ， Ar = O 2 9 x l &, A 4 = O 2 9 x l 0 6 ， A s = O 3 6 xl o 6 ； 由式( I ) 可得： A- =y e , Ax b - - O 6 x A Lx b 一 ( 2 ) l 1 经计算 ， 截面 4 4 所得最大的A = 1 6 2 5 1 1 1 1 1 1 2 ， 配筋率 ： p = 1 6 2 5 ( 3 0 2 7 9 x l 0 6 ) = 0 0 5 0 2 。 按最小配筋率进行配筋。 综上所述， 本工程蜗壳外围混凝土的内侧钢筋选取 中 3 O ( 级钢 ) ， 外侧取 2 4 ( 级钢) ， 间距取 2 0 0 m m 。 3 结语 K y e e o n K y e e w a 水电站的蜗壳外围混凝土的结构设计 ， 采用设置弹性模量为 4 MP a 的聚乙烯弹性垫层结构型式 ， 经 计算 ， 其外侧按构造配筋， 内侧按最小配筋率配筋。说明结构 设计合理， 垫层有效降低了外包混凝土的受力和配筋。 计算采用了有限元的数值分析方法， 避免了繁琐的结构力 学计算方法， 其设计经验值得类似电站的蜗壳结构设计借鉴。 ( 上接 第 3 O页) 低压管道灌溉主要用于灌区农田防护林网的灌溉 ， 包括 农 田防风林和护路护沟林。 典型区低压管道灌溉面积约占典 型区总面积的 1 1 3 0 。低压管道灌溉工程是以管道输水的 地面灌溉工程。由于项 目区低压管道灌溉面积较小 ， 根据灌 区布置 ， 各林带均位于条田边沿， 没有集中布置， 同时为便于 灌溉系统管理， 灌区地埋主干管系统也位于条田边沿， 条田 灌溉的间歇期利用分干管给水栓接林带灌水低压软管为林 3 2 带供水 ， 即节省投资又减轻管理难度。典型区规划灌溉面积 1 0 6 6 2亩， 平均亩直接投资为 1 4 1 7 1 2 元。 5 结语 新疆某扬水灌区典型设计采用滴灌、 喷滴结合灌和低压 管道灌的灌溉模式， 能够适应灌区土壤情况 ， 适应当地种植 业结构， 并为今后灌区的种植结构调整发展预留空间， 在扬 水灌区高效节水灌溉方面， 具有一定的指导和借鉴意义。