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土木工程畢業(yè)論文-燈泡貫流式水電站廠(chǎng)房三維靜動(dòng)力分析(二)
摘要：國內水利水電工程建設正處于前所未有的蓬勃時(shí)期，許多低水頭徑流式水電站建設逐步在我國的江河上興建，其中燈泡貫流式水電站由于流道平坦，機組過(guò)流量大、單位轉速高、效率高、尺寸小、重量輕、能量及指標好等優(yōu).點(diǎn)成為目前比較普遍的一種開(kāi)發(fā)型式。然而，由于燈泡貫流式水電站廠(chǎng)房獨特的布置型式，致使應力分布有不同于常規水電站廠(chǎng)房的特點(diǎn)，特別是在高地震烈度區修建的燈泡貫流式水電站。因此，本項目的具有十分重要的現實(shí)意義。
關(guān)鍵詞：燈泡貫流式水電站靜、動(dòng)力分析有限元
1.3燈泡貫流式水電站廠(chǎng)房布置及特點(diǎn)[29～51]
1.3.1廠(chǎng)房類(lèi)型
燈泡式貫流機組廠(chǎng)房多為擋水廠(chǎng)房，廠(chǎng)房本身作為樞紐擋水建筑物的一部分。擋水廠(chǎng)房可分為單純擋水廠(chǎng)房和溢流廠(chǎng)房。由于廠(chǎng)房兼作擋水建筑物，其設計標準與閘坎等擋水建筑物相同。
單純擋水廠(chǎng)房為通常采用的形式，其結構簡(jiǎn)單，廠(chǎng)房四周有足夠高的擋水墻擋水，水庫上游來(lái)水流量大于發(fā)電用水時(shí)，多余水量由瀉水閘棄水。
溢流廠(chǎng)房可通過(guò)廠(chǎng)房頂瀉流，分擔瀉水任務(wù)，減少瀉水閘孔數，節省瀉水閘工程量。溢流廠(chǎng)房上、下游擋水墻無(wú)須設置到水庫最高水位以上，廠(chǎng)房本身土建工程量也可減少。同時(shí)廠(chǎng)房的浮托力也減少，廠(chǎng)房的接觸力也可大為改善。廠(chǎng)房頂溢流堰面可設閘門(mén)也可不設閘門(mén)。不設閘門(mén)時(shí)，水位超過(guò)溢流堰面時(shí)，自由溢流棄水，可省去金屬結構工程量。樞紐正常蓄水位較高時(shí)，通常設置閘門(mén)擋水，水庫需要棄水時(shí)，由閘門(mén)控制瀉流。在溢流棄水發(fā)電時(shí)，由于水流的射流作用增加發(fā)電量，在溢流棄水不發(fā)電時(shí)，減少或清除了廠(chǎng)房尾水的回流淤積。溢流廠(chǎng)房的結構復雜，比常規擋水廠(chǎng)房施工難度大。在有條件的情況下采用溢流廠(chǎng)房其經(jīng)濟效益還是很好的。
1.3.2廠(chǎng)房布置及特點(diǎn)
�。�1）流道及進(jìn)出口設備布置
燈泡式水輪發(fā)電機組過(guò)水流道外形由生產(chǎn)廠(chǎng)家根據試驗確定并提供給設計部門(mén)，流道通�？煞殖蛇M(jìn)口段、中段和出口段。燈泡式水輪發(fā)電機組放置在流道中段內，其上游部分為進(jìn)口段，下游部分為出口段。
流道進(jìn)口段通常布置有攔污柵、檢修閘門(mén)及其所屬的起閉設備和進(jìn)口閘墩、胸墻及橋面結構。上游閘門(mén)至機組首部距離很近，流道進(jìn)口的布置主要是確定攔污形式和攔污柵、檢修門(mén)及壩頂公路的相對位置。
大多數燈泡貫流式機組電站在廠(chǎng)房渠道進(jìn)水口處依次設置攔污浮排、攔沙坎、攔污柵,以攔截飄浮物和防止推移質(zhì)泥沙進(jìn)入機組流道�，F在有部分電站,取消攔污浮排,在電站進(jìn)水口上游的攔沙坎上設置一排攔污柵,即把攔污柵布置在進(jìn)水墩前緣上游數十米處。采用這種通敞式布置的主要優(yōu)點(diǎn)有:①因攔污柵離廠(chǎng)房有一定的距離,使廠(chǎng)房前有一相對靜水區,水流流態(tài)比較穩定,過(guò)柵流速較小,污物容易清除,由于攔污柵引起的水頭損失小,可以提高機組出力;②一旦某孔攔污柵被污物堵塞嚴重,水流可以從其它孔通過(guò),在廠(chǎng)房前的靜水區內進(jìn)行調整,不至于對某一機組的發(fā)電出力產(chǎn)生明顯的,因此,通敞式攔污柵不失為一種好的布置形式。
流道出口段布置有尾水閘門(mén)及其啟閉設備。由于貫流式機組流道平直,機組上下游閘門(mén)的設計水頭和操作水頭相差不大,從經(jīng)濟角度尾水閘門(mén)亦具備作為工作閘門(mén)的條件。尾水快速閘門(mén)和尾水事故閘門(mén)是貫流式機組電站尾水閘門(mén)布置的兩種類(lèi)型,也是防機組飛逸事故的常用過(guò)速保護措施,當電站采用機組和尾水閘門(mén)聯(lián)合運行方式時(shí),又是控制電站流量流道的工作閘門(mén)。
�。�2）主廠(chǎng)房布置
燈泡貫流式機組主機成臥式布置在流道內，尾水管為直錐形，對溢流式和非溢流式等各種廠(chǎng)房結構有很強的適應性，溢流式廠(chǎng)房雖然可節省廠(chǎng)房投資，但這種廠(chǎng)房有噪音大、通風(fēng)采光條件差、吊物孔受氣候影響、溢流面的吊物孔密封要求高等缺點(diǎn)，在我國所建崖電站中大多采用非溢流封閉式廠(chǎng)房。
機組間距、廠(chǎng)房高度、跨度燈泡貫流式機組的安裝程序有兩種:第一種，尾水管里襯(包括法蘭段)→管形座~接力器基礎→(廠(chǎng)房封頂)→橋機→機組。第二種，尾水管里襯→(廠(chǎng)房到頂)→橋機→管形座→機組→尾水管里襯法蘭段。
主廠(chǎng)房高度主要決定于配水環(huán)(導水機構)組件翻身的吊裝要求。各大件吊裝必須與廠(chǎng)家協(xié)商，認真對待，一旦沒(méi)有考慮周到，將給安裝檢修帶來(lái)很煩。
主廠(chǎng)房跨度主要由機組結構尺寸和發(fā)電機、水輪機各部件的安裝要求決定。在發(fā)電機轉子、定子安裝前，先將燈泡頭冷卻套(或發(fā)電機上游柜架)吊入機坑內。為了方便安裝，應認真審查廠(chǎng)家發(fā)電機安裝豎并的尺寸，滿(mǎn)足幾個(gè)大件的安裝要求。
燈泡式機組間距主要由流道尺寸決定，一般比常規機組小。由于管形座的支臂已形成進(jìn)入機組內部的通道，有些大型機組此通道與廊道相接，故在機組之間不必設置樓梯，只需在主廠(chǎng)房?jì)啥嗽O置樓梯至水輪機廊道。樓梯進(jìn)口可設在主廠(chǎng)房下游側副廠(chǎng)房?jì)取?/p>
目前國內已運行和在建的燈泡貫流式機組電站，主廠(chǎng)房的布置形式各有其特點(diǎn)，歸納起來(lái)有以下幾種:
�、僦鲝S(chǎng)房分運行層、管道層和廊道層共三層的格式。國產(chǎn)機組的調速器和油壓裝置管道接口以及回油箱等設備均布置在樓板下面，加之輔助設備較多，尺寸大，如果都布置在運行層，水工結構、設備布置方面都有一些困難�；蛘呷绻掠嗡惠^高，安裝場(chǎng)需抬高，運行層與安裝場(chǎng)取同一高程的話(huà)，下面的空間高，可增設管道層。這樣，運行層顯得整齊、美觀(guān)、方便，把一些閥門(mén)、自動(dòng)化元件等附屬設備布置在管道層也便于操作維護，兩全其美。而運行層設一整層還是局部，通常又有兩種方式:運行層為局部，布置成半弧島式，僅下游側設有運行層，發(fā)電機、水輪機豎井的蓋板在管道層。這樣可減少噪音的影響，管道層檢修維護方便，節省投資，但這種布置由于運行層面積小，運行維護不夠方便。運行層為整層，將發(fā)電機和水輪機安裝豎井的蓋板布置在運行層，這樣就形成了整個(gè)運行層地面，比較寬敞，運行管理方便。
對于管道層中管道、電纜的布置方式，可根據此層的高度以及其它綜合因素分如下在運行層的樓板下面架空和在管道層分別設置管道溝及電纜溝兩種。
廊道層是貫穿各機組的通道，此層布置有軸承油箱、測量管路、排水泵等輔助設備。
�、谥鲝S(chǎng)房分運行層與廊道層共二層的格式。
如前所述，進(jìn)口機組的調速器、回油箱、油壓裝置之間聯(lián)接管路的接口在側面，閥門(mén)自動(dòng)化元件布置較集中，組合體積小，其管道及閥門(mén)等輔助設備只需在主機周?chē)晕⒌鸵稽c(diǎn)的坑中布置便可，有些自動(dòng)化元件布置在燈泡體內，只需將聯(lián)接管路和電纜布置在機組兩側的電纜溝和管道溝內，不必設管道層。這樣，既節省土建費用又方便運行，主廠(chǎng)房寬敞。例如:南津渡、馬跡塘等電站都是如此。
由于國產(chǎn)機組調速器、油壓裝置等設備的要求，耀設管道層即主廠(chǎng)房分三層是合理的，如果制造廠(chǎng)能鈞調速器及油壓裝置的結構進(jìn)行改造，使自動(dòng)化元件盡量布置在機械拒內或燈泡體內，連接管接口布置采幾進(jìn)口機組的形式，這樣主機室就可以分兩層布置，既司減少工程量又便于運行管理。
�。�3）副廠(chǎng)房的布置
副廠(chǎng)房必須便于同主廠(chǎng)房聯(lián)系,還應注意運行人員的工作條件。為了充分利用尾水管基礎結構以上的空間,副廠(chǎng)房布置在主機室的下游側,這是燈泡貫流式機組電站常用的格局。機旁盤(pán)、勵磁盤(pán)宜布置在這里且與操作層同高程,便于運行管理。在尾水管上部布置副廠(chǎng)房節省投資,但是這樣副廠(chǎng)房通風(fēng)差、噪音大,工作環(huán)境差。尤其是有些尾水副廠(chǎng)房頂層兼作公路橋梁(如馬跡塘水電站),汽車(chē)開(kāi)過(guò)時(shí)振動(dòng)、噪聲都比較大。因此中央控制室、載波通信室、資料室等主要生產(chǎn)副廠(chǎng)房(這些需要運行人員8ｈ連續工作的場(chǎng)所),不宜放在尾水平臺上副廠(chǎng)房?jì)?應放在靠近岸邊安裝場(chǎng)靠下游側的副廠(chǎng)房?jì)?如木京電站)。為改善下游側副廠(chǎng)房的通風(fēng)條件和采光條件,可將下游擋水墻向后移,使之與副廠(chǎng)房有一定的距離,這樣可以在副廠(chǎng)房的墻上開(kāi)設窗戶(hù),改善通風(fēng)和采光條件(如都平電站、木京電站)。
�。�4）安裝場(chǎng)布置
安裝場(chǎng)面積的確定應按大修時(shí)放置機組各主要部件來(lái)考慮，也要適當考慮安裝的要求，當電站要求幾臺機組同時(shí)安裝時(shí)，應適當加大安裝場(chǎng)的面積。根據幾座已建電站的經(jīng)驗，安裝場(chǎng)主要考慮轉輪、配水環(huán)、轉子、定子、主軸(包括推力軸承和導軸承)等五大件的組裝和翻身所需場(chǎng)地，其他一些小部件，可在主廠(chǎng)房?jì)冗M(jìn)行。安裝場(chǎng)長(cháng)度取2倍的機組間距，便能滿(mǎn)足要求。
1.4燈泡貫流式水電站廠(chǎng)房結構應力的研究方法
1.4.1廠(chǎng)房結構應力的研究的必要性
燈泡貫流式水電站廠(chǎng)房一般由上游擋水閘門(mén)、流道、下游擋水閘門(mén)、排沙孔、主廠(chǎng)房上部結構等部分組成，由于是由多個(gè)孔洞組成的復雜三維孔洞結構，作為擋水建筑物，要承受上、下游水平作用力，使河床式廠(chǎng)房的內力分布較其它型式的廠(chǎng)房更加復雜，而燈泡貫流式機組較軸流式相比，其機組型式、受力方式有自身特點(diǎn)，特別是對于廠(chǎng)內溢流式廠(chǎng)房使得廠(chǎng)房結構布置和受力條件更加復雜，設計中許多技術(shù)需要通過(guò)計算深入研究，為了全面了解各設計工況（特別是廠(chǎng)房表孔泄流情況）廠(chǎng)房壩段應力、位移狀態(tài)，使廠(chǎng)房結構設計更加合理、安全、經(jīng)濟，采用整體三維靜動(dòng)力有限元計算是十分必要的。
通過(guò)整體三維靜動(dòng)力有限元計算，了解廠(chǎng)房流道的應力、變形、配筋及防裂情況；廠(chǎng)房表孔閘墩和底板的應力、變形、配筋及防裂情況；廠(chǎng)房上部結構的自振頻率應大于表孔過(guò)流脈動(dòng)優(yōu)勢頻率，以防止共振；廠(chǎng)房流道、表孔邊墩的自振頻率同機組頻率要相對錯開(kāi)，以防止共振。
1.4.2廠(chǎng)房結構靜力的
對水電站廠(chǎng)房結構應力及穩定方法有：結構力學(xué)法、材料力學(xué)法和有限元法[52～56]。
結構力學(xué)法和材料力學(xué)法對電站廠(chǎng)房應力及穩定分析中比較簡(jiǎn)單，但是對于比較復雜的廠(chǎng)房結構過(guò)于簡(jiǎn)化計算模型將導致計算結果不能反映廠(chǎng)房結構的實(shí)際應力狀態(tài)，尤其在某些應力狀態(tài)比較復雜的部位由于過(guò)于簡(jiǎn)化而引起計算結果錯誤，而且結構力學(xué)法和材料力學(xué)法對于求解瞬態(tài)及動(dòng)力學(xué)分析也比較困難。
有限元法是20世紀40年代提出的處理材料屬性和邊界條件較復雜的一種有效的離散化的數值方法，離散后的單元和單元之間只通過(guò)節點(diǎn)相聯(lián)系，所有的力和位移都通過(guò)節點(diǎn)進(jìn)行計算。利用有限元法對廠(chǎng)房結構進(jìn)行應力分析計算有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）大型水電站廠(chǎng)房的物理模型制作不易，有些因素模擬困難，不能作過(guò)程仿真分析，而有限元模型則易于模擬；（2）有限元模型能突出構成建筑物本質(zhì)特征的因素，便于分析了解建筑物的性能；（3）可以變動(dòng)模型有關(guān)因素條件進(jìn)行敏度分析，了解他們對廠(chǎng)房的程度及趨勢，為改進(jìn)設計提出啟示；（4）能針對廠(chǎng)房的某一部分進(jìn)行詳細模擬，來(lái)計算結構中重要部位的應力分布狀況；（5）能進(jìn)行非線(xiàn)性分析、模態(tài)分析以及動(dòng)力分析。
1.4.3廠(chǎng)房結構動(dòng)力的研究方法[57]
動(dòng)力學(xué)問(wèn)題在國民和技術(shù)的中有著(zhù)廣泛的領(lǐng)域。最經(jīng)常遇到的是結構動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，它主要包括動(dòng)力特性分析和動(dòng)力時(shí)程分析兩種類(lèi)型。對水電站廠(chǎng)房的動(dòng)力分析主要研究廠(chǎng)房結構在地震和機組震動(dòng)作用下廠(chǎng)房結構的應力分布以及其穩定性。因此，對廠(chǎng)房結構的動(dòng)力分析也就是抗震分析。目前，對水電站廠(chǎng)房動(dòng)力分析的方法常有以下幾種：
�。�1）振型分解反應譜法
根據振動(dòng)分析，多質(zhì)點(diǎn)體系的振動(dòng)可以分解成各個(gè)振型的組合，而每一振型又是一個(gè)廣義的單自由度體系，利用反應譜便可以得出每一振型水平地震作用。經(jīng)過(guò)內力分解計算出每一振型相應的結構內力，按照一定的方法進(jìn)行各振型的內力組合。
該方法考慮了多個(gè)振型的影響，計算精度較高，但該方法是利用反應譜得出每一振型的地震反應，以靜力方式進(jìn)行結構分析，屬于擬靜力法的范疇.
�。�2）時(shí)程分析法
根據結構振動(dòng)的動(dòng)力方程，選擇適當的強震記錄作為地面運動(dòng)，然后按照所設計的建筑物確定結構振動(dòng)的計算模型和結構恢復力模型，利用數值解法求解動(dòng)力方程。該方法可以直接計算出地震地面運動(dòng)過(guò)程中結構的各種地震反應(位移、速度和加速度)的變化過(guò)程，并且能夠描述強震作用下，結構在彈性和彈塑性階段的變形情況直至倒塌的全過(guò)程。該方法屬動(dòng)力分析的方法，由它可以了解結構反應的全過(guò)程，由此可以找出結構地震過(guò)程中的薄弱部位和環(huán)節，以便修正結構的抗震設計.但該方法耗時(shí)太多，并且所選的地震波也不一定就能代表結構實(shí)際要遭遇的地震。所以，目前只對一些體型較復雜的建筑和超過(guò)一定高度范圍的高層建筑，才應用該方法來(lái)檢驗結構抗震性能。
�。�3）隨機分析法
由于她震動(dòng)的隨機性和復雜性，結構的地震反應也應該是隨機而復雜的，因而只能求得結構地震反應的統計特征，或者求得具有出現概率意義上的最大反應，這一方法從隨機觀(guān)點(diǎn)處理了反應超過(guò)定值的概率，使抗震設計從安全系數法過(guò)渡到了概率的分部系數法，它屬于結構地震反應分析的非確定性分析法。
�。�4）能量分析法
地震作用下，地震動(dòng)的能量輸入到結構，要轉換成結構的應變能而耗散地震動(dòng)的能量。該方法就是分析這種能量的轉換關(guān)系或直接比較能量的輸入與耗散，以結構在地震中的變形、強度和能量吸收能力作為衡量標準，按允許耗能狀態(tài)進(jìn)行設計，控制結構的變形和強度。用能量耗散性質(zhì)可以反應結構的地震非彈性反應.能量耗散的全過(guò)程，既反映了結構的變形，又表達了地震反復作用的次數即強震的持續時(shí)間，從而能反應地震的累積破壞。
該方法的優(yōu)點(diǎn)就在于它包括了力和變形兩個(gè)方面的問(wèn)題，是力和變形的綜合度量;同時(shí)，對地面運動(dòng)的敏感性也較小，輸入地震波的性質(zhì)變化對能量反應不如對變形的影響大。這是一種很有發(fā)展前途的方法。
1.5本文研究的主要
本文完成的工作主要有以下幾個(gè)方面：
(1)國內外燈泡貫流式水電站建設現狀及水電站廠(chǎng)房靜、動(dòng)力分析的調研、分析；
(2)燈泡貫流式水電站廠(chǎng)房結構靜、動(dòng)力分析理論的研究以及有限元公式的推倒；
(3)ANSYS軟件在燈泡貫流式水電站廠(chǎng)房結構靜、動(dòng)力分析中的實(shí)現；
(4)工程實(shí)例計算分析。
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