三峡右岸电站机组蜗壳应力监测成果分析

２００９年１２月

　　文章编号：１００１－４１７９（２００９）２３－００７８－０３

人　民　长　江

Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ

Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．２３

，２００９Ｄｅｃ．

三峡右岸电站机组蜗壳应力监测成果分析

彭绍才１　段国学１　黎晶晶２

（１．长江水利委员会设计院，湖北武汉４３００１０；　２．湖北水利水电职业技术学院，湖北武汉４３００１０）摘要：三峡右岸电站机组蜗壳采用垫层、保压、直埋３种方式埋设。分析了３种不同埋设方式机组蜗壳实测应力在各种工况下的变化情况，并与仿真计算成果进行了比较分析。应力实测结果分析表明：采用垫层、保压和直埋３种埋设方式的机组，在１５６．０和１７２．７ｍ水位条件下运行时，蜗壳的应力均在安全值范围以内，说明机组蜗壳处于安全的运行状态。

关　键　词：蜗壳；埋设方式；应力；三峡电站中图分类号：ＴＶ６９８．１　　　文献标识码：Ａ

００ＭＷ水轮发电机组蜗壳平面最大宽度３４．３８　　三峡电站７

ｍ、进口钢管直径达１２．４ｍ、进口断面设计内水压力达１．３９５

２

ＭＰａ（含水锤压力），３０ｍ，是目前世界上混流式水ＨＤ值达１７

０°）、－３０°、４５°和顶部及布置在蜗壳观测断面的底部、腰部（１２０°等几个部位。对于采用直埋方案的机组，其蜗壳钢板应力计布置在观测断面的腰部和１２０°处（见图２）。在每个位置的环向上和水流向上各布置一支钢板应力计。

０ｍ，每年还轮机最大的蜗壳。同时，其蜗壳运行水头变幅达４有相当一部分时间是在防洪限制水位以下运行。而且由于厂房布置的原因，蜗壳外围浇筑的二期混凝土较薄，最薄之处不足２．０ｍ，导致机组支承结构刚度较低。右岸电站机组蜗壳采用外敷弹性垫层的埋设方式（垫层范围从进口至８－８断面－２７０°处）、直埋方式（垫层范围从进口至４－４断面－４５°处）和充水保压３种埋设方式。

为监测三峡电站不同埋设方式的蜗壳在施工过程中及其运行期间的受力情况，并为以后类似的大型蜗壳埋设方式的选择提供科学依据，在三峡右岸电站选取了采用垫层、保压、直埋３种方式埋设的机组蜗壳进行监测。

１　监测仪器布置

１．１　监测的主要机组

在三峡右岸电站，共对８台机组蜗壳进行了监测。本文主要是在采用垫层、保压和直埋３种不同埋设方式的机组中各选取一台机组，对其蜗壳应力进行监测，然后对实测应力进行分析和比较。而对蜗壳的钢板应力则采用钢板应力计进行观测。

图１　蜗壳监测断面平面布置

２　蜗壳应力监测成果

２．１　垫层埋设方式

２５号机组蜗壳采用垫层方式埋设。在蜗壳埋设过程中实施的蜗壳底部灌浆、内支撑拆除，以及充水调试和发电运行前后，蜗壳应力均有变化，但以充水调试前后的应力变化最大。

１．２　监测断面及测点位置

对于采用垫层和保压方式埋设的机组蜗壳，在其进口端及５°设置一个监测断面，共有９个监测断沿蜗壳顺水流方向，每４面。对于采用直埋方式埋设的机组蜗壳，其监测断面布置在进口端、０°、４５°、９０°、１８０°、２７０°和３１５°处，共有７个监测断面（见图１）。

对于采用垫层和保压方式埋设的机组，其蜗壳钢板应力计收稿日期：２００９－１０－１６

２．１．１　蜗壳底部灌浆

在进行蜗壳底部灌浆的前后，腰部和底部环向大部分都产生了压应力增量，在水流向，则大部分都产生了拉应力增量，应

作者简介：彭绍才，男，长江水利委员会设计院枢纽处，工程师。

　第２３期　　　彭绍才等：三峡右岸电站机组蜗壳应力监测成果分析

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力增量范围为－４３～４４ＭＰａ。底部灌浆对５－５、６－６断面腰部钢板应力计的影响较大，经分析，发现是由于底部灌浆导致蜗壳上抬变形所致（实测蜗壳底部最大上抬约１３ｍｍ）。灌浆后，蜗壳应力范围在－

４６～５１ＭＰａ。除２５号机组蜗壳底部灌浆导致蜗壳上升较大，蜗壳应力变化较大以外，其他机组在改进底部灌浆方式以后，其蜗壳的上抬量小于３ｍｍ，灌浆前后的蜗壳应力变化较小。

图２　蜗壳观测断面上测点位置示意

２．１．２　内支撑拆除

在蜗壳外围混凝土浇筑完毕，拆除蜗壳的内支撑以后，多数测点均产生了压应力增量，应力增量范围为－４３～４０ＭＰａ。拉应力增量最大值发生在１－１断面底部环向和３－３断面１２０°部位，应力增量分别为４０ＭＰａ和２３ＭＰａ。压应力增量最大值为４－４断面１２０°环向和４－４断面底部环向，其应力增量分别为－４３ＭＰａ和－３６ＭＰａ。

２．１．３　充水调试

在进行充水调试前，蜗壳应力范围为－４４～７８ＭＰａ。进行充水调试以后（库水位１５６ｍ），蜗壳的钢板主要产生拉应力增量，且环向钢板应力比水流向钢板应力变化明显。从部位来看，蜗壳的腰部、

４５°及１２０°处的应力比底部、顶部的应力变化大。在进行调试运行前后的蜗壳应力增量范围为－４９～９０ＭＰａ。

２．１．４　运行过程

投入运行以后，蜗壳的钢板应力变化主要与库水位和温度有关。２００７年１２月２３日，当库水位为１５６ｍ时，蜗壳的应力范围为－２９～１２７ＭＰａ；２００８年６月２３日，当库水位为１４５ｍ时，蜗壳的应力范围为－

４４～１２０ＭＰａ；２００８年１０月１１日，当库水位为１５６ｍ时，蜗壳的应力范围为－７０～１２７ＭＰａ；２００８年１１月１１日，当库水位为１７２．７ｍ时，蜗壳的应力范围为－８１～１３１ＭＰａ。

垫层埋设方式典型测点的蜗壳钢板应力计测得的应力过程线示于图３。

２．２　保压埋设方式

２４号机组蜗壳是采用保压方式埋设的。在实施蜗壳充水保压、底部灌浆、放水卸压、充水调试及发电运行前后，蜗壳的应力均有变化，而且以充水保压、放水卸压、充水调试前后的应力变化最大。

２．２．１　蜗壳充水保压

实施充水保压以后，蜗壳的环向上产生了一个拉应力增量，增量范围为２

５～９７ＭＰａ，增量最大值是３－３断面的腰部；水流向的应力除１２０°处的４个测点产生了压应力增量外，其他部位

的水流向均产生拉应力增量，但是比环向上的应力增量小，增量范围为－

１２～３８ＭＰａ，３－３断面腰部的拉应力增量最大。进行保压以后，各测点的应力为－１４～９７ＭＰａ，６－６断面４５°处的拉应力最大。

图３　２５号机组蜗壳６－６断面顶部环向ＧＳ４３应力过程线

２．２．２　蜗壳底部灌浆

在进行底部灌浆之前，蜗壳的应力范围为－１４～９７ＭＰａ。进行底部灌浆之后，蜗壳的应力增量范围为－１６～０ＭＰａ。灌浆以后蜗壳的应力范围为－

１４～９５ＭＰａ。２．２．３　蜗壳放水卸压

在卸压之前，蜗壳的应力范围为－４２～９４ＭＰａ，而卸压之后，蜗壳的应力增量为－１００～１０ＭＰａ，主要为压应力增量，与充水保压过程刚好相反。其中蜗壳环向应力增量为－１００～－５ＭＰａ，５－５断面４５°处的环向压应力增量最大，水流向的应力增量为－５０～１０ＭＰａ，环向的应力较水流向的应力变化大。卸压之后，蜗壳各测点的应力范围为－７６～３５ＭＰａ。

２．２．４　充水调试

在进行充水调试之前，蜗壳的应力范围为－３８～７９ＭＰａ。随着充水压力的增大，蜗壳钢板一般会产生一个拉应力增量。在充水前后（库水位约为１５６ｍ），蜗壳的应力增量范围为－６～１１６ＭＰａ。其中环向的应力增量为４～１１６ＭＰａ，３－３断面的腰部环向应力增量最大。水流向的应力增量为－６～７１ＭＰａ，明显小于环向上的增量应力。调试工作完成之后，蜗壳的应力范围为－

８～１０８ＭＰａ。２．２．５　运行过程

２００８年９月２２日，在库水位为１４５ｍ的条件下，蜗壳的应力范围为－

９～１３０ＭＰａ；２００８年１０月１１日，在库水位为１５６ｍ的条件下，蜗壳的应力范围为－１２～１３３ＭＰａ；２００８年１１月１１日，在库水位为１７２．７ｍ的条件下，蜗壳的应力范围为－４～１４５ＭＰａ。保压埋设方式蜗壳典型测点的钢板应力计测得的应力过程线示于图４。

２．３　直埋埋设方式

１５号机组蜗壳是采用直埋方式埋设的。在实施底部灌浆、充水调试和运行期间，直埋方式机组的蜗壳应力均有变化。

２．３．１　蜗壳底部灌浆

在进行灌浆前后，蜗壳的应力变化较小，应力变化范围为－１．７０～１０．６２ＭＰａ。变化最大的部位为４－４断面腰部的环向应力。

２．３．２　充水调试

在进行充水之前，蜗壳的应力范围为－５９～１５ＭＰａ，充水之后（上游库水位为１５６ｍ），蜗壳的应力范围为－６３～４７ＭＰａ，充水前后的蜗壳应力增量范围为－５９～５３ＭＰａ，３－３断面１２０°处的环向拉应力最大。

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３．３　运行期

运行期的蜗壳最大应力约为１５７ＭＰａ，蜗壳应力均在弹性范围以内，蜗壳的环向拉应力随着库水位的上升会略有增大。图４　２４号机组蜗壳３－３断面腰部环向ＧＳ０９应力过程线

２．３．３　运行过程

２００８年１１月１１日，在库水位为１７２．７ｍ的条件下，蜗壳的应力范围为－６２～５７ＭＰａ，３－３断面１２０°处的环向拉应力最大。直埋埋设方式蜗壳典型测点的蜗壳应力过程线示于图５。

图５　１５号机组蜗壳３－３断面１２０°处环向ＧＳ０３应力过程线

３　三种埋设方式机组实测蜗壳应力对比分析

在实施保压前后（仅保压方式有）和调试运行前后，蜗壳应力变化最大，且最大拉应力出现在保压过程或运行过程中。

３．１　充水保压

在蜗壳充水保压过程中，蜗壳一般会产生一个拉应力增量，且环向的应力增量比水流向的增量大，各机组在保压之后，蜗壳的最大应力约为８

０～１０３ＭＰａ。在蜗壳充水保压的过程中，蜗壳的应力是随内水压力的增大而增大，应力与内水压力呈线性关系。

蜗壳的混凝土浇筑完毕之后，蜗壳即开始放水卸压，在卸压前后，蜗壳一般会产生一个压应力增量。各机组在卸压之后，蜗壳的应力为－７６～４４ＭＰａ。

３．２　调试运行前后

３种埋设方式的机组在进行调试运行前后，蜗壳一般会产生拉应力增量，水流向的部分测点会产生压应力增量。环向上的应力比水流向的应力变化要明显，蜗壳部位的应力比过渡板的应力变化明显，应力变化最大的部位一般在蜗壳腰部及以上部位。

实测各机组调试运行前后的最大应力增量约为１３２ＭＰａ，调试之后，运行时的最大应力约为１２８ＭＰａ（见表１）。保压方式和垫层方式蜗壳的应力变化、分布和应力水平没有明显的区别，直埋方式机组的蜗壳应力变化稍小。

表１　蜗壳调试运行前后应力

机组埋

充水调试

调试后运

调试前后应

变化最设方式前应力／ＭＰａ行应力／ＭＰａ力增量／ＭＰａ大部位垫层－４４～７８－３９～１２８－４９～９０３－３顶部环向保压－３８～７９－８～１０８－６～１１６３－３腰部环向直埋

－６２～１５

－６４～３０

－５６～４３

４－４腰部环向

从观测成果来看，温度的年变化对蜗壳的应力略有影响，年温度变化造成的应力变化约在４０ＭＰａ以内。保压和垫层方式埋设的机组蜗壳的应力没有明显区别，采用直埋方式的机组蜗壳应力相对较小（见表２）。

表２　各机组运行期不同库水位时

蜗壳应力／ＭＰａ机组埋０８年９月０８年１０月０８年１１月应力最设方式１９～２２日１０～１９日１１～１９日大部位（库水位约１４５ｍ）（库水位约１５６ｍ）（库水位约１７２ｍ）垫层－３６～１２２－７０～１２７－８１～１３１３－３顶部环向保压－９～１３０－１２～１３３－４～１４５７－７１２０°环向直埋—－６３～４７－６２～５７３－３１２０°环向３．４　应力观测成果与计算成果对比分析

在不考虑温度影响的情况下，主要对１５６．０、１７２．７ｍ水位条件下水荷载引起的蜗壳钢板应力进行了对比分析。为便于与有限元结构计算成果进行比较，消除实测成果中的温度影响，对

于１５６．０ｍ水位条件下的观测成果，采用机组调试（充水）前后观测量的增量作为其实测值，对于１７２．７ｍ水位条件下的观测成果，采用机组调试（充水）前后观测量（调试后为１５６ｍ水位）的增量，２００８年１０～１１月汛后水位上升过程中，１５６ｍ与１７２．７ｍ水位间的观测量增量的累加值作为比较的观测成果。

实测应力结果表明，３种不同埋设方式相应监测断面的应力与理论计算规律是一致的，数值比较接近。

４　结语

（１）采用保压方式埋设的机组蜗壳在充水保压过程中，蜗壳一般会产生拉应力增量，但是环向上的应力增量比水流向的应力增量大，各机组保压后的蜗壳最大应力约为８０～１０３ＭＰａ。实施蜗壳充水保压的过程中，蜗壳的应力是随内水压力的增大而增大，应力与内水压力呈线性关系。

（２）各机组在调试运行前后，蜗壳一般会产生拉应力增量，环向的应力比水流向的应力变化明显，蜗壳部位比过渡板的变化明显，应力变化最大的部位在蜗壳腰部及以上部位。各机组在调试运行前后的最大应力增量约为１３２ＭＰａ，运行时的最大应力约为１５７ＭＰａ。采用保压方式和垫层方式埋设的机组蜗壳的应力变化、分布和应力水平没有明显的区别。有限元计算的蜗壳最大应力约２００ＭＰａ，而实测应力水平要比它小。采用直埋方式的１

５号机组的蜗壳应力相对较小。（３）从对蜗壳应力的观测资料来看，应力在检修后运行的重复性较好，表明蜗壳基本在弹性状态下运行。温度的年变化对蜗壳应力略有影响，其造成的应力变化约在４０ＭＰａ以内。

（４）３种埋设方式埋设的机组在１５６、１７２．７ｍ水位运行时，其蜗壳应力的实测值与计算值的规律基本上是一致的，表明应力水平相当。

（５）３种埋设方式埋设的机组蜗壳的应力均在安全范围以内，机组蜗壳运行安全。

（编辑：赵秋云）