摘要：国内水利水电工程建设目前正处于前所未有的蓬勃发展时期，许多低水头径流式水电站建设逐步在我国的江河上兴建，其中灯泡贯流式水电站由于流道平坦，机组过流量大、单位转速高、效率高、尺寸小、重量轻、能量及经济指标好等优.点成为目前比较普遍的一种开发型式。然而，由于灯泡贯流式水电站厂房独特的布置型式，致使应力分布有不同于常规水电站厂房的特点，特别是在高地震烈度区修建的灯泡贯流式水电站。因此，本项目的研究分析具有十分重要的现实意义。

关键词：灯泡贯流式水电站 静、 动力计算分析 有限元

1.3灯泡贯流式水电站厂房布置及特点[29～51]
　　1.3.1厂房类型
　　灯泡式贯流机组厂房多为挡水厂房，厂房本身作为枢纽挡水建筑物的一部分。挡水厂房可分为单纯挡水厂房和溢流厂房。由于厂房兼作挡水建筑物，其设计标准与闸坎等挡水建筑物相同。
　　单纯挡水厂房为通常采用的形式，其结构简单，厂房四周有足够高的挡水墙挡水，水库上游来水流量大于发电用水时，多余水量由泻水闸弃水。
　　溢流厂房可通过厂房顶泻流，分担泻水任务，减少泻水闸孔数，节省泻水闸工程量。溢流厂房上、下游挡水墙无须设置到水库最高水位以上，厂房本身土建工程量也可减少。同时厂房的浮托力也减少，厂房的接触力也可大为改善。厂房顶溢流堰面可设闸门也可不设闸门。不设闸门时，水位超过溢流堰面时，自由溢流弃水，可省去金属结构工程量。枢纽正常蓄水位较高时，通常设置闸门挡水，水库需要弃水时，由闸门控制泻流。在溢流弃水发电时，由于水流的射流作用增加发电量，在溢流弃水不发电时，减少或清除了厂房尾水的回流淤积。溢流厂房的结构复杂，比常规挡水厂房施工难度大。在有条件的情况下采用溢流厂房其经济效益还是很好的。
　　1.3.2厂房布置及特点
　　（1）流道及进出口设备布置
　　灯泡式水轮发电机组过水流道外形由生产厂家根据试验确定并提供给设计部门，流道通常可分成进口段、中段和出口段。灯泡式水轮发电机组放置在流道中段内，其上游部分为进口段，下游部分为出口段。
　　流道进口段通常布置有拦污栅、检修闸门及其所属的起闭设备和进口闸墩、胸墙及桥面结构。上游闸门至机组首部距离很近，流道进口的布置主要是确定拦污形式和拦污栅、检修门及坝顶公路的相对位置。
　　大多数灯泡贯流式机组电站在厂房渠道进水口处依次设置拦污浮排、拦沙坎、拦污栅,以拦截飘浮物和防止推移质泥沙进入机组流道。现在有部分电站,取消拦污浮排,在电站进水口上游的拦沙坎上设置一排拦污栅,即把拦污栅布置在进水墩前缘上游数十米处。采用这种通敞式布置的主要优点有:①因拦污栅离厂房有一定的距离,使厂房前有一相对静水区,水流流态比较稳定,过栅流速较小,污物容易清除,由于拦污栅引起的水头损失小,可以提高机组出力;②一旦某孔拦污栅被污物堵塞严重,水流可以从其它孔通过,在厂房前的静水区内进行调整,不至于对某一机组的发电出力产生明显的影响,因此,通敞式拦污栅不失为一种好的布置形式。
　　流道出口段布置有尾水闸门及其启闭设备。由于贯流式机组流道平直,机组上下游闸门的设计水头和操作水头相差不大,从经济角度尾水闸门亦具备作为工作闸门的条件。尾水快速闸门和尾水事故闸门是贯流式机组电站尾水闸门布置的两种类型,也是防机组飞逸事故的常用过速保护措施,当电站采用机组和尾水闸门联合运行方式时,又是控制电站流量流道的工作闸门。
　　（2）主厂房布置
　　灯泡贯流式机组主机成卧式布置在流道内，尾水管为直锥形，对溢流式和非溢流式等各种厂房结构有很强的适应性，溢流式厂房虽然可节省厂房投资，但这种厂房有噪音大、通风采光条件差、吊物孔受气候影响、溢流面的吊物孔密封要求高等缺点，在我国所建崖电站中大多采用非溢流封闭式厂房。
　　机组间距、厂房高度、跨度灯泡贯流式机组的安装程序有两种:第一种，尾水管里衬(包括法兰段)→管形座~接力器基础→(厂房封顶) →桥机→机组。第二种，尾水管里衬→(厂房到顶) →桥机→管形座→机组→尾水管里衬法兰段。
　　主厂房高度主要决定于配水环(导水机构)组件翻身的吊装要求。各大件吊装方法必须与厂家协商，认真对待，一旦没有考虑周到，将给安装检修带来很大麻烦。
　　主厂房跨度主要由机组结构尺寸和发电机、水轮机各部件的安装要求决定。在发电机转子、定子安装前，先将灯泡头冷却套(或发电机上游柜架)吊入机坑内。为了方便安装，应认真审查厂家发电机安装竖并的尺寸，满足几个大件的安装要求。
　　灯泡式机组间距主要由流道尺寸决定，一般比常规机组小。由于管形座的支臂已形成进入机组内部的通道，有些大型机组此通道与廊道相接，故在机组之间不必设置楼梯，只需在主厂房两端设置楼梯至水轮机廊道。楼梯进口可设在主厂房下游侧副厂房内。
　　目前国内已运行和在建的灯泡贯流式机组电站，主厂房的布置形式各有其特点，归纳起来有以下几种:
　　① 主厂房分运行层、管道层和廊道层共三层的格式。国产机组的调速器和油压装置管道接口以及回油箱等设备均布置在楼板下面，加之辅助设备较多，尺寸大，如果都布置在运行层，水工结构、设备布置方面都有一些困难。或者如果下游水位较高，安装场需抬高，运行层与安装场取同一高程的话，下面的空间高，可增设管道层。这样，运行层显得整齐、美观、方便，把一些阀门、自动化元件等附属设备布置在管道层也便于操作维护，两全其美。而运行层设一整层还是局部，通常又有两种方式:运行层为局部，布置成半弧岛式，仅下游侧设有运行层，发电机、水轮机竖井的盖板在管道层。这样可减少噪音的影响，管道层检修维护方便，节省投资，但这种布置由于运行层面积小，运行维护不够方便。运行层为整层，将发电机和水轮机安装竖井的盖板布置在运行层，这样就形成了整个运行层地面，比较宽敞，运行管理方便。
　　对于管道层中管道、电缆的布置方式，可根据此层的高度以及其它综合因素分如下在运行层的楼板下面架空和在管道层分别设置管道沟及电缆沟两种。
　　廊道层是贯穿各机组的通道，此层布置有轴承油箱、测量管路、排水泵等辅助设备。
　　②主厂房分运行层与廊道层共二层的格式。
　　如前所述，进口机组的调速器、回油箱、油压装置之间联接管路的接口在侧面，阀门自动化元件布置较集中，组合体积小，其管道及阀门等辅助设备只需在主机周围稍微低一点的坑中布置便可，有些自动化元件布置在灯泡体内，只需将联接管路和电缆布置在机组两侧的电缆沟和管道沟内，不必设管道层。这样，既节省土建费用又方便运行，主厂房宽敞。例如:南津渡、马迹塘等电站都是如此。
　　由于国产机组调速器、油压装置等设备的要求，耀设管道层即主厂房分三层是合理的，如果制造厂能钧调速器及油压装置的结构进行改造，使自动化元件尽量布置在机械拒内或灯泡体内，连接管接口布置采几进口机组的形式，这样主机室就可以分两层布置，既司减少工程量又便于运行管理。
　　（3）副厂房的布置
　　副厂房必须便于同主厂房联系,还应注意运行人员的工作条件。为了充分利用尾水管基础结构以上的空间,副厂房布置在主机室的下游侧,这是灯泡贯流式机组电站常用的格局。机旁盘、励磁盘宜布置在这里且与操作层同高程,便于运行管理。在尾水管上部布置副厂房节省投资,但是这样副厂房通风差、噪音大,工作环境差。尤其是有些尾水副厂房顶层兼作公路桥梁(如马迹塘水电站),汽车开过时振动、噪声都比较大。因此中央控制室、载波通信室、资料室等主要生产副厂房(这些需要运行人员8ｈ连续工作的场所),不宜放在尾水平台上副厂房内,应放在靠近岸边安装场靠下游侧的副厂房内(如木京电站)。为改善下游侧副厂房的通风条件和采光条件,可将下游挡水墙向后移,使之与副厂房有一定的距离,这样可以在副厂房的墙上开设窗户,改善通风和采光条件(如都平电站、木京电站)。
　　（4）安装场布置
　　安装场面积的确定应按大修时放置机组各主要部件来考虑，也要适当考虑安装的要求，当电站要求几台机组同时安装时，应适当加大安装场的面积。根据几座已建电站的经验，安装场主要考虑转轮、配水环、转子、定子、主轴(包括推力轴承和导轴承)等五大件的组装和翻身所需场地，其他一些小部件，可在主厂房内进行。安装场长度取2倍的机组间距，便能满足要求。
　　1.4灯泡贯流式水电站厂房结构应力的研究方法
　　1.4.1厂房结构应力的研究的必要性
　　灯泡贯流式水电站厂房一般由上游挡水闸门、流道、下游挡水闸门、排沙孔、主厂房上部结构等部分组成，由于是由多个孔洞组成的复杂三维孔洞结构，作为挡水建筑物，要承受上、下游水平作用力，使河床式厂房的内力分布较其它型式的厂房更加复杂，而灯泡贯流式机组较轴流式相比，其机组型式、受力方式有自身特点，特别是对于厂内溢流式厂房使得厂房结构布置和受力条件更加复杂，设计中许多技术问题需要通过计算深入研究，为了全面了解各设计工况（特别是厂房表孔泄流情况）厂房坝段应力、位移状态，使厂房结构设计更加合理、安全、经济，采用整体三维静动力有限元计算是十分必要的。
　　通过整体三维静动力有限元计算，了解厂房流道的应力、变形、配筋及防裂情况；厂房表孔闸墩和底板的应力、变形、配筋及防裂情况；厂房上部结构的自振频率应大于表孔过流脉动优势频率，以防止共振；厂房流道、表孔边墩的自振频率同机组频率要相对错开，以防止共振。

1.4.2厂房结构静力的研究方法
　　目前对水电站厂房结构应力及稳定分析方法有：结构力学法、材料力学法和有限元法[52～56]。
　　结构力学法和材料力学法对电站厂房应力及稳定分析计算中比较简单，但是对于比较复杂的厂房结构过于简化计算模型将导致计算结果不能反映厂房结构的实际应力状态，尤其在某些应力状态比较复杂的部位由于过于简化而引起计算结果错误，而且结构力学法和材料力学法对于求解瞬态及动力学分析也比较困难。
　　有限元法是20世纪40年代提出的处理材料属性和边界条件较复杂问题的一种有效的离散化的数值方法，离散后的单元和单元之间只通过节点相联系，所有的力和位移都通过节点进行计算。利用有限元法对厂房结构进行应力分析计算有以下优点：（1）大型水电站厂房的物理模型制作不易，有些因素模拟困难，不能作过程仿真分析，而有限元模型则易于模拟；（2）有限元模型能突出构成建筑物本质特征的因素，便于分析了解建筑物的性能；（3）可以变动模型有关因素条件进行敏度分析，了解他们对厂房影响的程度及趋势，为改进设计提出启示；（4）能针对厂房的某一部分进行详细模拟，来计算结构中重要部位的应力分布状况；（5）能进行非线性分析、模态分析以及动力分析。
　　1.4.3厂房结构动力的研究方法[57]
　　动力学问题在国民经济和科学技术的发展中有着广泛的应用领域。最经常遇到的是结构动力学问题，它主要包括动力特性分析和动力时程分析两种类型。对水电站厂房的动力分析主要研究厂房结构在地震和机组震动作用下厂房结构的应力分布以及其稳定性。因此，对厂房结构的动力分析也就是抗震分析。目前，对水电站厂房动力分析的方法常有以下几种：
　　（1）振型分解反应谱法
　　根据振动分析，多质点体系的振动可以分解成各个振型的组合，而每一振型又是一个广义的单自由度体系，利用反应谱便可以得出每一振型水平地震作用。经过内力分解计算出每一振型相应的结构内力，按照一定的方法进行各振型的内力组合。
　　该方法考虑了多个振型的影响，计算精度较高，但该方法是利用反应谱得出每一振型的地震反应，以静力方式进行结构分析，属于拟静力法的范畴.
　　（2）时程分析法
　　根据结构振动的动力方程，选择适当的强震记录作为地面运动，然后按照所设计的建筑物确定结构振动的计算模型和结构恢复力模型，利用数值解法求解动力方程。该方法可以直接计算出地震地面运动过程中结构的各种地震反应(位移、速度和加速度)的变化过程，并且能够描述强震作用下，结构在弹性和弹塑性阶段的变形情况直至倒塌的全过程。该方法属动力分析的方法，由它可以了解结构反应的全过程，由此可以找出结构地震过程中的薄弱部位和环节，以便修正结构的抗震设计.但该方法耗时太多，并且所选的地震波也不一定就能代表结构实际要遭遇的地震。所以，目前只对一些体型较复杂的建筑和超过一定高度范围的高层建筑，才应用该方法来检验结构抗震性能。
　　（3）随机分析法
　　由于她震动的随机性和复杂性，结构的地震反应也应该是随机而复杂的，因而只能求得结构地震反应的统计特征，或者求得具有出现概率意义上的最大反应，这一方法从随机观点处理了反应超过定值的概率，使抗震设计从安全系数法过渡到了概率理论的分部系数法，它属于结构地震反应分析的非确定性分析法。
　　（4）能量分析法
　　地震作用下，地震动的能量输入到结构，要转换成结构的应变能而耗散地震动的能量。该方法就是分析这种能量的转换关系或直接比较能量的输入与耗散，以结构在地震中的变形、强度和能量吸收能力作为衡量标准，按允许耗能状态进行设计，控制结构的变形和强度。用能量耗散性质可以反应结构的地震非弹性反应.能量耗散的全过程，既反映了结构的变形，又表达了地震反复作用的次数即强震的持续时间，从而能反应地震的累积破坏。
　　该方法的优点就在于它包括了力和变形两个方面的问题，是力和变形的综合度量;同时，对地面运动的敏感性也较小，输入地震波的性质变化对能量反应不如对变形的影响大。这是一种很有发展前途的方法。
　　1.5本文研究的主要内容
　　本文完成的工作主要有以下几个方面：
　　(1) 国内外灯泡贯流式水电站建设现状及水电站厂房静、动力分析的调研、分析；
　　(2) 灯泡贯流式水电站厂房结构静、动力分析理论的研究以及有限元公式的推倒；
　　(3) ANSYS软件在灯泡贯流式水电站厂房结构静、动力分析中的实现；
　　(4) 工程实例计算分析。