坝后式水电站厂坝连接形式优化研究
第29卷第6期2010年12月水力发电学报
JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERINGVol.29No.6Dec.，2010
坝后式水电站厂坝连接形式优化研究
吴海林，覃事河，周宜红
（三峡大学水电工程施工与管理湖北省重点实验室，湖北宜昌
摘
443002）
要：本文以某大型坝后式水电站为工程实例，采用三维有限元法，建立了包括大坝、电站厂房和基岩等的有限元整
采用接触单元较好地模拟了分缝处厂房和坝体之间的相互作用，计算分析了在自重、水压力荷载、以及温度荷载体模型，
等作用下，不同的厂坝连接形式的作用机理，及其对伸缩管过缝结构的变形及应力、对厂坝结构的变形及应力的影响，结在厂坝分缝处采用平缝灌浆或整体连接形式，考虑厂坝之间的联合作用，有利于改善压力钢管的受力条件、以及果表明，
缓解厂坝分缝处局部的应力集中。
关键词：水工结构；厂坝连接形式；三维有限元法；坝后式水电站中图分类号：TV31
文献标识码：A
Researchonoptimizationofconnectingformbetweenthedam
andthepowerhouseatthedamtoe
WUHailin，QINShihe，ZHOUYihong
（HubeiProvincialKeyLaboratoryofConstructionandManagementforHydropowerProject，
ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang，Hubei
443002）
Abstract：A3-Dfiniteelementintegralmodelisestablishedtoanalyzethestructuresofgravitydam，powerhouse，penstock，spiralcase，drafttube，bedrock，etc.Inthismodel，contactelementisadoptedtosimulatetheinteractionmechanismbetweenthegravitydamandthepowerhouseatthedamtoe.Influencesofdifferentconnectingformsbetweenthedamandpowerhouseontheirdeformationandstress，andonthedeformationandstressofpenstockarestudied.Resultsshowthatflatjointgroutingoranintegrateddam-powerhouseconnectionimprovesthestressconditionofpenstockandrelieveslocalstressconcentration.
Keywords：hydraulicstructure；structureformofdam-powerhouseconnection；3-DFEM；hydropowerstationatdamtoe
0引言
根据国内外水电工程建设经验，一般坝后式水电站厂坝间多设温度缝或沉降缝，以使厂房和坝体结构相对独
立，受力明确，并在压力钢管过缝处设伸缩节，以适应分缝两侧厂坝结构的相对变位，改善压力钢管的受力状态；当水电站布置为厂房顶溢流、厂前挑流式结构形式或下游出现高尾水时，则会考虑采用一定的厂坝联合作用形式来解决结构布置和稳定性等方面的问题
［1，2］
。然而，随着全世界水电建设的发展，一方面坝址地质等的工程条件
越来越复杂，使分缝的厂坝结构不能简单地按独立结构分析，并且如不利用合理的厂坝连接形式，厂坝结构的稳定性等将难以达到要求，从而加大混凝土方量，增加了工程造价；另一方面由于水电站引水压力钢管趋于巨型化，取消厂坝间常规伸缩节成为过缝管道结构形式的一个主要发展方向，优化适合一定的过缝管道结构形式的厂坝连接形式也是发展所趋。
以往关于水电站厂坝连接形式的研究主要分为两个方向：一是为了解决在高尾水压力下电站厂房的稳定性问题，研究合适的厂坝连接形式，考虑厂坝间的相互传力，从而提高厂房和坝体各自的抗滑稳定安全系数
12-10收稿日期：2009-基金项目：湖北省教育厅科学技术研究项目（Q20101208）
［3，4］
；二
mail：[email protected]作者简介：吴海林（1977—），男，博士，副教授.E-
是与水电站压力钢管过缝结构形式的优化联系起来，通过选择合适的厂坝连接形式，来改善过缝处压力钢管的受从而为取消常规的伸缩节创造有利条件力状态，
［5，6］
。
对于坝后式电站，厂坝连接形式与压力钢管的过缝结构形式是两个相互联系、相互影响的问题。取消常规伸缩节已经成为水电站巨型压力钢管的发展趋势，在研究取消伸缩节的可行性，以及对替代常规伸缩节的过缝管道结构进行优化时，将厂坝连接形式与压力钢管过缝结构形式的两者联系起来考虑是必要的，也是很有意义的。本采用三维有限元法，在取消伸缩节、采用外包软垫层的伸缩管过缝的前提下，对文结合某水电站工程的实际情况，厂坝连接形式进行了优化研究。
1工程概况
该水电站枢纽由拦河坝、泄洪冲沙建筑物、引水发电系统等组成，拦河坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高
114.00m。电站为坝后式电站，共装机5台，单机容量350MW，总容量1750MW。机组水轮机钢蜗壳进口直径11.20m，引水压力钢管直径11.20m，钢管下平段壁厚为36mm。水库正常蓄水位时蜗壳中心最大静水压水头为70.80m，蜗壳进口断面处的最大水击压力水头为21.2m。水库上游正常蓄水位602.00m，相应尾水位540.23m。
坝址处的气温和水温资料见表1。电站厂房多年平均室温为20℃，最高月平均室温为33℃，最低月平均室温为8℃。坝址区地温常年为22℃。
表1
Table1
月份气温/℃水温/℃
1月16.013.1
2月18.014.5
3月21.116.9
坝址处气温和水温
Atmospherictemperatureandwatertemperature4月24.318.6
5月25.720.4
6月25.821.7
7月25.422.2
8月25.122.2
9月24.521.5
10月22.619.7
11月19.416.9
12月16.214.0
2计算方案及荷载组合
本文以该水电站一个标准机组段以及相应的厂房坝段为例，建立包括大坝、电站厂房、压力钢管、蜗壳、尾水
较精确地模拟出坝体混凝土、进水口、压力钢管、钢管外包混凝管以及基岩等在内的三维有限元整体结构模型，
土、厂房发电机层以下的混凝土结构及开孔、钢蜗壳、厂坝分缝等关键部位的实际结构，采用接触单元来模拟厂房与坝体混凝土之间的相互作用。总共剖分单元数70006个，结点数52733个，有限元模型如图1和图2所示
。
图1Fig.1
整体有限元模型Finiteelement
model
Fig.2
图2钢管、钢蜗壳及尾水管钢衬单元网格图
Meshesofthepenstock，spiralcasinganddraft-tube
有限元模型以伸缩管过缝方案（取消伸缩节，压力管道外包软垫层）为基础，伸缩管长8m，垫层材料的变形模量为3.75MPa，垫层厚10mm。根据厂坝分缝处不同的厂坝连接形式，选取了五种结构方案，具体如下：
方案1，为厂坝完全分缝方案，厂坝间完全分缝至基岩（高程498.0m），厂坝间混凝土结构不相互传力；方案2，为上分下连、下部平缝灌浆方案，压力钢管底部（高程521.6m）以上完全分缝，以下采用平缝灌浆的连接形式，厂坝间平缝灌浆的连接处仅传递法向推力，不能传递剪力和拉力；
方案3，亦为上分下连、下部平缝灌浆方案，但平缝灌浆的接缝高度与方案2不一样，即厂房水轮机层（高程538.0m）以上完全分缝，以下平缝灌浆；
方案4，为上分下连、下部整体连接方案，压力钢管底部（高程521.6m）以上完全分缝，以下采用整体连接形
式，厂坝间预设键槽、并进行接缝灌浆，整体连接处可以传递法向推力和剪力，但并不能传递拉力；
方案5，为上分下连、下部整体连接方案，厂房水轮机层（高程538.0m）以下至基岩采用整体连接形式，连接处设键槽、并接缝灌浆。
计算荷载包括大坝上游库水压力、厂房下游尾水压力，引水系统内水压力，厂坝自重、机组及其它设备自重、基础扬压力等固定荷载，以及温度荷载。其中温度荷载按稳态温度场计算：先以过缝钢管最后一道预留环缝合拢水温、室温及地温）为边界条件（此时压力钢管内按合拢月份的平均气温考虑），计算得时的环境温度（包括气温、
到相应的温度场作为基准温度场，假定此时钢管为零应力状态；再分别以最冷月份和最热月份的多年月平均环境温度为边界条件（此时压力钢管内按进水口中心处的库水温度考虑），计算得到最低温度场和最高温度场；然后，用最低温度场和最高温度场分别减去基准温度场，即得到结构的最大温降荷载和最大温升荷载。
3
3.1
厂坝连接形式优化
坝体和厂房受力分析
方案2～方案5中厂房内的顺河向位移分布规律亦基本一致，基本表计算结果表明：除了结构方案1以外，
现为随高程增加而增大的向下游平移变位，不同的结构方案中仅在位移的量值上有不同。在方案2～方案5这厂坝间相互传力的连接高程均在厂坝水轮机层以下，不同的厂坝连接形式对厂房内钢蜗壳外包四个结构方案中，
混凝土、机墩以及水轮机层以上的风罩等上部结构的位移分布规律影响不大。结构方案1中厂房内的顺河向位移分布规律与其他方案的不同，主要原因是由于方案1中采用完全分缝的厂坝连接形式，厂房与坝体混凝土之间不相互传力，而仅仅通过厂坝间连续过缝的压力钢管传递一定的推力，因而，厂房内表现为蜗壳进口一侧混凝土向下游的位移要大于厂房右侧（面向下游）。
在不同的厂坝连接形式下，坝踵和坝趾处的铅直正应力和顺河向剪应力见表2。
表2
Table2
结构方案
荷载组合
铅直向正应力
固定荷载
方案1
温降组合温升组合固定荷载
方案2
温降组合温升组合固定荷载
方案3
温降组合温升组合固定荷载
方案4
温降组合温升组合固定荷载
方案5
温降组合温升组合
－1.82－1.75－1.83－1.94－1.87－1.96－2.03－1.96－2.07－2.03－1.95－2.06－2.13－2.06－2.17
顺河向剪应力
0.140.220.200.090.160.140.080.160.140.080.160.130.080.150.13
铅直向正应力
－2.42－2.45－2.46－2.31－2.34－2.33－2.22－2.25－2.22－1.87－1.90－1.87－1.75－1.78－1.74
顺河向剪应力
0.880.770.860.500.390.460.550.440.510.530.420.490.570.460.53
坝体特征点的应力值
MPa
坝趾处
Computedstressesatthecharacteristicpoints
坝踵处
说明：表中固定荷载包括上游库水压力、厂房下游尾水压力，引水系统内水压力，厂坝自重、机组及其它设备自重、基础扬压力等，温降组合包括固定荷载和温降荷载，温升组合包括固定荷载和温升荷载。
从表2可以看出，相对于方案1来说，方案2～方案5由于厂坝间的相互传力，限制了坝体向下游的倾斜变形，因此，坝踵处的铅直压应力增大，而坝趾处的压应力减小。同时，厂坝间的联合作用也减小了坝体向下游的水平位移，所以坝踵和坝趾处的顺河向剪应力都相应减小。总体来说，除了厂坝间完全分缝的厂坝连接形式外，无论是平缝灌浆还是设键槽灌浆的厂坝连接形式对坝体的应力状态影响都不大。
此外，厂坝间采用考虑联合作用的连接形式后，虽然厂房结构的绝对变位相对完全分缝形式有一定的增加，但不同的厂坝连接形式下，厂房的总体应力分布规律基本相同。厂坝联合作用后，由于连接高程在水轮机层以
下，分缝两侧相互作用的均为大体积的混凝土结构，因而对钢蜗壳及厂房混凝土结构的应力状态影响不大。
虽然采用不同的厂坝连接形式对坝体和厂房结构的总体应力状态影响不大，但是，对于厂坝分缝局部受力影厂坝分缝底部的应力集中现象非常严重，在角点处的主拉应力峰值均较响明显。在采用完全分缝连接形式下，
大，而厂坝间采用了整体连接形式后，分缝底部混凝土结构的受力得到明显的改善，方案4和方案5的计算结果表明，分缝处原来应力集中部位的第一主应力峰值分别减小到－0.06MPa和－0.07MPa，第三主应力峰值分别降为－8.19MPa和－8.89MPa。
分析计算结果表明，若厂坝间完全分缝，在过缝伸缩管的始端和末端的外包混凝土局部也出现明显的应力集中，而采用平缝灌浆或整体连接形式后，对该部位的应力集中有明显改善。实践经验还表明，在实际工程中，通过使伸缩管始、末两端的垫层材料厚度渐变为零的施工措施，也能够较好地改善该部位的应力集中问题。3.2
伸缩管变形分析
对比方案1、方案2和方案3的相对位移结果可以发现，相对完全分缝，厂坝间采用平缝灌浆的连接形式，厂不传剪力和拉力，因此对伸缩管两端的横河向及铅直向相对位移影响不大；但对伸缩管两端的坝间仅传递推力、
轴向相对位移影响明显，厂坝间采用平缝灌浆的连接形式明显减小了伸缩管两端的轴向相对压缩变位，在基本荷载作用下，方案3中伸缩管两端的轴向相对位移值减小到仅为方案1的5%。计算结果还表明，平缝灌浆的连接伸缩管两端的轴向相对位移越小。高程越高，
对比方案1、方案4和方案5的相对位移可看出，相对完全分缝，厂坝间采用整体连接的连接形式，伸缩管两端的各向相对位移均有降低。整体连接形式使得伸缩管两端的轴向相对位移减小的幅度与平缝灌浆基本相同，但由于厂坝间可以传递剪应力，所以其对横河向与铅直向相对位移有较明显的降低。3.3
伸缩管应力分析
表3列出了不同荷载组合作用下，伸缩管段的分缝处钢管截面内的最大轴向应力，环向应力和等效应力值。
表3
Table3
结构方案
荷载组合固定荷载
方案1
温降组合温升组合固定荷载
方案2
温降组合温升组合固定荷载
方案3
温降组合温升组合固定荷载
方案4
温降组合温升组合固定荷载
方案5
温降组合温升组合
伸缩管的最大应力
MPa
等效应力290.50240.03277.48143.51115.99127.55120.91119.99129.76114.3074.53100.6258.0864.6461.67
Maximumstressesoftheexpansionpipe
轴向应力－290.89－237.02－281.74－109.38－55.50－85.70－24.2779.3271.68－98.28－44.40－74.03－12.4262.8552.35
环向应力19.7433.4428.2859.2972.9870.6266.2379.9279.4949.7663.5260.6556.3170.1768.67
结构方案1，厂坝间完全分缝，计算结果表明，在固定荷载作用下，伸缩管的最大等效应力达到290.5MPa，已较大地超过钢材的抗力限值。这主要是由于在固定荷载，尤其是上游库水压力作用下，厂坝分缝两侧出现较大的相互靠拢的相对位移，而厂坝间仅通过伸缩管相互传力，从而在伸缩管内产生了很大的轴向压应力，即而出现较大的等效应力。可见，取消常规的伸缩节结构后，若简单地采用外包软垫层的伸缩管替代常规伸缩节，则无法满足钢管的强度设计要求。这也说明了压力钢管的过缝结构形式与厂坝连接形式是相互联系、相互影响的，在研究取消伸缩节、优化压力钢管过缝结构形式的同时，对厂坝连接形式进行优化是十分必要的。
不同的厂坝连接形式对伸缩管的环向应力的影响较小，对轴向应力和等效应力的影响较大。厂坝间采用相能够较大程度地降低伸缩管的轴向压应力，因而有利于改善伸缩管的受力状态。厂坝间考互传力的连接形式后，
虑传力的连接高程越高，则伸缩管的最大等效应力越低；而对于相同的连接高程来说，能够同时传递推力和剪力
的整体连接形式比平缝灌浆对伸缩管的受力更有利。从表3的应力结果可以看出，结构方案5厂坝间采用整体连接高程达到厂房水轮机层（高程538.2m），由于连接处厂坝联合受力，极大地减小了厂坝间的相对连接形式，
在固定荷载作用下，伸缩管的最大等效应力不到60MPa，仅为完全分缝方案的20%。变形，
4结论
（1）在厂坝间完全分缝的连接形式下，伸缩管的等效应力较大地超过了相应钢材的抗力限值，因此对伸缩管
过缝时的厂坝连接形式进行优化是必要的。研究表明，取消厂坝间的钢管伸缩节后，压力钢管在厂坝分缝处连续通过，钢管的受力可能会成为一项突出的问题。这时，取消厂坝间的永久缝，而采用平缝灌浆或整体连接形式，考虑厂坝之间的联合作用，有利于改善钢管的受力条件；且厂坝间考虑传力的连接高程越高对钢管受力越有利。
（2）相对于厂坝间完全分缝形式来说，厂坝间采用平缝灌浆或整体连接形式，对厂房和坝体整体应力的分布规律影响不大，考虑厂坝间的联合作用后，不仅没有恶化厂坝结构的受力，反而明显地改善了厂坝分缝处局部以末端外包混凝土内的应力集中现象。及伸缩管始、参考文献：
［1］徐家诗，艾持恒.关于坝后式厂房厂坝连接形式的探讨［J］.水力发电，1988，（2）：9～14.
XUJiashi，AIChiheng.Researchonstructuralformforconnectingthedamandpowerhouseinpowerstationatdamtoe［J］.WaterPower，1988，（2）：9～14.（inChinese）
2］黄安录.水电站厂坝联合作用的受力特性分析［J］.陕西水力发电，1995，11（2）：11～15.［
HUANGAnlu.AnalysisontheStressCharacteristicsofCombinedActionofPowerhouseandDamforHydropowerStation［J］.JournalofShaanxiWaterPower，1995，11（2）：11～15.（inChinese）
［3］徐家诗.高尾水位水电站厂房水工结构设计的特点［J］.水力发电，2005，31（1）：46～48.
XUJiashi.Designcharacteristicofhydraulicstructureforpowerhousewithhightailwaterlevel［J］.WaterPower，2005，31（1）：46～48.（inChinese）
［4］李广远，席燕林.用厂坝连接解决大坝深层抗滑稳定问题［J］.水利学报，1995，（3）：70～76.
LIGuangyuan，XIYanlin.Improvementofdeepslidingstabilityofagravitydambyjoiningplantanddam［J］.JournalofHydraulicEngineering，1995，（3）：70～76.（inChinese）
5］刘宪亮，董毓新，何长利.大型坝后式水电站厂坝联结形式的优选［J］.水利学报，1995，（8）：39～45.［
LIUXianliang，DONGYuxin，HEChangli.Optimumstudyonstructuresofthelargehydroelectricpowerstationpenstockwithoutexpansionjoint［J］.JournalofHydraulicEngineering，1995，（8）：39～45.（inChinese）
［6］董毓新，赵德海，马震岳.厂坝间巨型压力钢管在基本荷载作用下受力特性研究［J］.水力发电，2001，（1）：42～44.
DONGYuxin，ZHAODehai，MAZhenyue.Studyonthestresscharacteristicsofhugepressuredsteelpipebetweendamandpowerplantundertheactionofroutineload［J］.WaterPower，2001，（1）：42～44.（inChinese）