水电站市场分析大全11篇

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中图分类号：F253文献标识码： A

引言

随着社会经济的发展，电力事业的快速发展对电力设施提出了更高的要求，许多工业厂房不断涌现。然而厂房设计是建筑的基础，由于水电站建设基础要在具有一定规模的水域或者水源附近，因此，水电站厂房的设计成为影响水电站正常运行的重要因素。水电站厂房是将水能转为电能的综合工程设施，包括厂房建筑、水轮机、发电机、变压器、开关站等，也是运行人员进行生产和活动的场所。水电站厂房的设计也应该走可持续发展的建筑设计道路。室内外设计应本着、经济合理、技术先进的设计原则。

一、提高水电站质量管理水平的重要性

水电站在我国水利工程中发挥着极为重要的作用，而且水电站工程的建设具有施工要求低，对环境的破坏小，施工成本低，施工周期短等优点，所以是水利工程施工单位的首选。目前我国水电站建设过程中，还存在一些亟待解决的质量管理问题，例如，水电站施工材料和设备的选择不当，施工技术不到位，施工人员的专业性和综合素质缺乏等，这些都制约着水电站建设质量水准地提高。水电站施工的质量管理水平要想提高，就必须从全方位入手，水电站地施工要符合我国相关行业的基本质量标准，不能够随着使用者的意愿进行违规建设，对于国家明令禁止的影响工程质量的施工行为要严格予以制止，管理者要将水电站工程施工视为一个整体，各项管理环节和管理行为要系统开展，在质量管理前要制定明确的管理方案和具体目标，根据实际工程施工情况选择适合的管理方案，在管理过程结束后要及时进行管理效果记录和反馈，以保证管理的科学化和系统化。

二、水电站厂房的任务及其基本组成

水电站厂房的主要任务之一是将水电站的主要机电设备集中布置在一起，为运行人员提供良好的工作环境，并且方便时其安装、运行、检修以及管理；其次是提供布里各种辅助设备以及必要的值班的场所；此外，厂房还负责将水流平顺地引进水轮机，使水能转变成可供用户使用的电能。对于水电站厂房的基本组成，按照设备布置和运行要求的空间来划分，可以分为主厂房、副厂房、主变压器场、高压开关站、进水道、尾水道和交通道路等厂房枢纽。从设备组成的系统划分，水电站厂房内的机械及水工建筑物共分五大系统，它们是水流系统、电流系统、电气拉制设备系统、机械控制设备系统和辅助设备系统。水电站厂区枢纽建筑物主要有水电站主厂房、副厂房、主变压器场和高压开关站及厂区交通等，这些又统称为厂区枢纽。从水电站厂房的结构组成划分，分为平面上的主机室和安装间，垂面上包括上部结构和下部结构(以发电机层楼板面为界)，主厂房从下到上分为：尾水管层、蜗壳层、水轮机层、发电机层、起重机层等。其中发电机层以下称为下部结构，发电机层以上称为上部结构。

三、提高水电站厂房施工质量管理水平的措施

（一）厂区的布置设计

厂区的布里方面，主厂房是厂区的核心，对厂区布里起决定性作用。其位里要综合考虑地形、地质、水流条件、施工导流方案和场地布里、电站的运行管理等因素，注意厂区的协调配合。尽量减小压力水管的长度。尾水梁尽量远离溢洪道或泄洪洞出口，防止水位波动对机组运行不利。尾水梁与下游河道衔接要平顺，主厂房的地基条件要好，对外交通和出线方便，并不受施工导流干扰。

引水道一般为正向引水，尽可能保证进、出水水流平顺。尾水渠一般为明渠，正向将尾水导入下游河道，少数情况也可侧向导入下游河道。公路、铁路要直接通入主厂房的安装间，临近厂房一段应是水平，长度不小于20m，并有回车场地。会路的坡度不宜大于10~12%，转弯半径大于20m。

副厂房的组成、面积和内部布里取决于电站装机容量、机组台数、电站在电力系统中的作用等因素。副厂房的位置应紧靠主厂房，基本上布呈在主厂房的上游侧，下游侧和端部，可集中一处也可分两处布里。

（二）保证水电站厂房施工质量的措施

为了保证水电站厂房施工质量，需要做好以下几个方面的工作：1.保证施工材料的质量，相关的施工材料需要满足国家建设的相关要求，把好材料进场关，进场时需要进行严格的检查。2.严格的按照相关的技术章程施工，要满足施工质量标准，进行全面的质量管理。质量施工主要以预防为主，严格的控制施工的质量。3.加强施工人员的技术培训，全面的提升施工人员的综合素养。4.在工程各个单项工程开工前，要有相关的技术人员做好技术交底工作，并明确施工技术标准、施工程序以及施工方法。5.提倡持证上岗，包括施工人员、施工管理人员、质检人员、监理人员等。6.安排质检人员，在施工过程中加强质量检查工作，发现质量问题要及时的上报有关部门，进行及时的整改，确保施工的质量。

（三）水轮机测压管路渗漏

水轮机测压管路主要包括钢管测压管，蜗壳测压管和尾水测压管，这三种管路与水轮机过水部件直接相连，在钢管通水情况下无法隔断水源，因此不能采用以上隔绝水源方法检查是否存在渗漏。本次采用间接的方法，第一步是机组备用时先用排水管依次接通各附属测压管路，依次打开测压管上的阀门排水，检查测压管有水排出，说明各测压管通畅，不存在堵塞情况。第二步是待机组检修时，依次封堵各测压管在钢管，蜗壳，尾水管上的进水口，从水轮机层测压管处接入手压泵，用手压泵向各测压管内依次压水，观察各测压管内水压变化情况。经过检查，各测压管水压保持30分钟均无下降情况，说明测压管不存在渗漏情况，因此由水轮机测压管引起渗漏的可能性也可以排除。

（四）积极开展设备技术改造工作

长期运行的老水电站机组未改造前普遍存在转轮及过流部件汽蚀严重，机组效率偏低，运行时振动偏大等缺陷现象。通过水轮机设备的技术改造，改善机组运行工况，降低部件的汽蚀和磨损，避免水轮机渗水现象的发生，保证水轮发电机组长期安全稳定运行。另一方面，投运时间长的水电站需对压力水管路规格参数和运行情况进行统计和检查，掌握压力水管路的实际运行状况，有计划的进行改造，逐步淘汰老旧，存在安全隐患的管路，避免管路出现渗漏，保证压力管路的安全运行。

（五）厂房土建工作

在机电安装施工的同时，土建工作也有条不紊地进行。土建工作优先安排安装间排架柱、吊车梁施工，为厂房桥机安装争取时间。因为安装间与副厂房为整体结构设计，共用排架柱，按常规是副厂房楼板砼与安装间排架柱砼一起浇筑，但副厂房楼板需搭设满堂红脚手架再安装模板、钢筋，工作量多，施工时间长，而排架柱施工简单，工作量少，施工时间短。为了加快排架柱及吊车梁的施工，提出了将排架柱与副厂房楼板独立分开施工的方案，经业主、设计、监理讨论后同意，设计单位出修改通知单。同理，也对主机间和副厂房独立分开施工，发电机层楼板与排架柱独立分开施工，1#机组发电机层楼板独立分开施工，厂房金属拱形波纹钢屋盖分期安装。这样修改施工方案后，土建工作面多，工作好展开施工，施工干扰减少，加快了施工进度。

结束语

水电站厂房是水利设施中基础部分，厂房施工具有工期短、工程量大、施工质量要求高等特点，针对这行特点，制定合理的施工方案以及施工管理制度。加强对水电站进度控制，但必须遵循相应的原则，并且不能以牺牲施工质量为前提。加强施工质量管理，首先要加强质量监督，做好技术交底工作，严格的按照施工方案施工。另外还需要加强施工安全管理，采取安全措施，保证施工的安全也是保证施工质量与进度的保障。

参考文献：

[1]郭大平.水电站厂房土建施工过程仿真与可视化研究[D].天津大学,2009.

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1 国内光伏发电市场发展状况

2013年，受欧盟的“双反”风波促动，光伏产业发展得到了政府前所未有的重视。“双反”使得业内及政府重新思考，决心启动更大规模国内市场。2013年被光伏业内人士定为“光伏政策元年”，国家出台一系列促进光伏产业发展的政策措施，积极培育我国太阳能发电市场。

在政策的引导和推动下，2013年中国已成为全球最大光伏市场，地面电站与分布式发电并驾齐驱，装机容量持续增加，截止2014年底，中国累计并网的光伏装机容量已达26.52GW，而2014年全年，中国的新增光伏太阳能并网量为10.52GW，相比2013年同期增长了13%左右。2015年国家能源局制订了国内光伏发电装机15GW的规划，集中式地面电站为8GW，分布式光伏装机为7GW（其中屋顶式装机为3.15GW）。计划在全国建立30个光伏发电大型示范园区。

政策刺激开发商加快了光伏发电站的建设速度。政府也积极鼓励和引导民间资本进一步扩大对光伏发电领域投资。

未来几年中国将坚持集中式与分布式并举，重点向分布式光伏发电倾斜的发展原则。大力开拓分布式光伏发电市场，鼓励各类电力用户按照“自发自用，余量上网，电网调节”的方式建设分布式光伏发电系统。优先支持在用电价格较高的工商业企业、工业园区建设规模化的分布式光伏发电系统。支持在学校、医院、党政机关、事业单位、居民社区建筑和构筑物等推广小型分布式光伏发电系统。

中国计划到2030年将非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右。截至2014年底，我国非化石能源占比为11.1%，要在2030年实现20%的目标，需要光伏发挥更大作用。

2 国家光伏发电支持政策

为积极培育我国光伏发电市场，国家制订了光伏发电价格、税收、金融信贷和建设用地等一系列配套政策。

明确了项目装机容量6MW（不含）以下的太阳能发电项目豁免发电业务的电力业务许可，免收系统备用容量费和相关服务费用。

鼓励银行等金融机构，结合分布式光伏发电特点和融资需要，对分布式光伏发电实行优惠贷款利率，延长贷款期限。加大了财税政策支持力度，对光伏发电企业所得税减免。完善了土地支持政策和建设管理，降低工程的前期投入成本，还在项目申请、备案、并网和建设用地等多方面进行手续简化。

国家电网公司2015年智能用电工作指导意见，将分布式电源接入及运营管理列为智能电网建设管理目标，提升分布式电源、微电网并网服务效率。

电网企业优先保障光伏发电运行，确保光伏发电项目及时并网，全额收购所发电量。对光伏电站，由电网企业按照国家规定或招标确定的光伏发电上网电价与发电企业按月全额结算；对分布式光伏发电，建立由电网企业按月转付补贴资金的制度。中央财政按季度向电网企业预拨补贴资金，确保补贴资金及时足额到位。

3 光伏电站行业的参与者

一类是电网公司、全国性大型发电集团、地方发电集团等电力行业企业，目前是光伏电站行业的主流企业。二类是专业的光伏电站开发商，具有电力工程、建筑工程专业技术，从事光伏电站工程承包、BT业务、BOT业务。三类是分布式光伏电站业主。四类是上游光伏制造企业向下游电站行业拓展，此类客户开发电站目的是消耗自身光伏制造产能。五类是致力于光伏电站资产证券化的信托公司、投资公司、基金公司等。

4 黑龙江省光伏发电发展状况及运营效果

4.1 黑龙江省太阳能资源情况

黑龙江省属利用太阳能资源条件较好地区，年日照时数在2242-2842小时之间，年均太阳辐射量4400-5028MJ/M2，其总辐射量的空间分布趋势为西南部总辐射值最大，中东部和北部地区太阳总辐射较少。齐齐哈尔、绥化、黑河及哈尔滨的部分地区太阳能总辐射值最大，在4800MJ/M2以上，其中齐齐哈尔市和泰来县总辐射值在5000MJ/M2以上。发电设备年均利用小时数1300小时左右，具有良好的光伏项目实施条件。2014年黑龙江省光伏发电标杆上网电价为0.95元，电价承诺期20年。

4.2 黑龙江省光伏发电发展情况

截止到2014年底，黑龙江省已申报光伏发电项目41个。已建成项目36个，其中大庆和泰来建成大型集中电站2个，分布式电站全省34个，总装机容量72141KW。2015年黑龙江省光伏发电装机配额为30万KW，其中，集中式地面电站15万KW，分布式电站15万KW。

4.3 黑龙江省已并网运行电站运行效果

由中国三峡新能源公司投资建设的黑龙江泰来9.9MW光伏发电项目，是黑龙江省第一个运行发电的大型集中式地面光伏电站。2013年6月开工建设，2013年12月20日并网发电，2013年上网标杆电价为1元/千瓦时。项目总投资10797.06万元，自有资金20%，银行贷款80%。项目占地376849m2，土地购置成本1000万元，预计25年年平均发电量为1342.6万KWh，25年年平均利用小时数1319.38h，预期首年发电量为1490万KWh，投资回收期为15年。

泰来光伏项目实际运行情况良好，各项指标达到设计要求，发电能力超过可研及设计水平，2014年全年发电1567万KWh。光伏电站日常维护量很少，所以电站人工及运营成本很低。泰来光伏电站运行工作人员共6人，负责整个电厂日常运维管理工作。

5 利用云峰水电场地建设分布式光伏电站的优势及规划简介

5.1 云峰水电分布式光伏发电项目的优势

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中图分类号： TV74 文献标识码： A 文章编号：

正文：人类社会正处于不断高速发展阶段，我国不仅在低压水电厂中有效的实现了无人值班，而且在高压以及超高压水电厂中，各种新型的自动化控制技术也不断的得到广泛运用。实践运用当中，不仅将电网的建设水平在一定程度上也得以进一步提高，并且针对电网的调度以及其输配电方面也得到了进一步的加大提升，使得其整体造价得到了有效的降低。当今社会全面发展，互联网技术在现代社会新时期中更是得到了空前的发展，因此数字化技术在水电厂当中的全面应用，将会在未来的发展过程中有着势不可挡的趋势。

一、数字化系统的特点分析

（一）一次设备的智能化

使用光电技术和微处理技术设计一次设备被检测的被控制的操作驱动回路和信号回路，这在一定程度上使控制回路以及常规机电式继电器的结构得到简化，传统的导线连接逐渐被数字化公共信号网络以及数字遥控器取代；

（二）二次设备的网络化

在水电厂中比较常用的二次设备主要有在线检测装置、电压无功控制、继电保护装置等，这些装置都是基于模块化、标准化的微处理机进行设计和制造的，使用高速的网络通信进行设备之间的连接，过去使用的功能装置，在数字化系统中转变为逻辑的功能模块。

（三）运行管理系统

数字化的水电厂自动化系统的运行管理自动化系统主要包含数字记录电力生产运行设备状态以及所产生的数据；分流交换以及数据信息分层自动化；在水电厂生产设备出现故障以后，能够自动而且实时提供设备故障分析报告，自动判定设备故障出现的原因，同时提供相应的故障处理办法等方面。

二、数字化系统的结构功能分析

（一）过程层的功能分析

二次设备和一次设备相互结合在一起的层面就是所谓的过程面，通常我们也将其称之为智能化设备的一部分。在数字化系统的过程面中，笔者分析主要功能具有以下几方面：电器设备在实际工作运行的过程中，针对电器量能够有效的进行实时监测，而且而还能针对实际运行期间的各项参数进行有效的监测，有效的执行设备的操作指令。 首先，针对电器设备的电器量进行实施监测，其与传统功能之间有着类似方面，在实际中主要是针对谐波的分量以及电压和电流等各项进行有效的检测，然而针对电能量以及无功和有功等方面的电器量，可以有效的通过间隔层的设备进行有力的执行。但是针对电器设备的电器量进行实施监测和传统方式之间也存在较大的却别，例如：光电电压的互感器以及光电电流互感器，有效的取代了电压互感器以及电磁式电流互感器等方面，与传统方式之间的相互比较，总体来说在一定程度上，将抗饱和特性以及绝缘特性等进一步的给予了全面提升，相关设备的开关运行装置有效的达到了紧凑话和小型化。

其次，水电厂在实际运行的过程当中，需要有效的进行状态检测的设备有存在很多，比如：直流电源系统和断路器以及变压器等设备。而且针对运行设备状态检测的主要内容也有以下几点：工作状态、机械特性、压力以及温度等诸多方面。

最后，执行过程层的操作控制以及驱动，主要包括直流电源充放控制以及变压器分接头调节等方面。然而在控制的驱动以及执行方面通常有大部分都是被动的受到进行。指令在执行期间应当具备智能型，由此可以对所发出的指令可以有效的判断出奇合理性以及真实性，而且对于控制操作的精确度也能够给予更好的控制，这样就能够使得断路器有力的进行选相合闸以及定相合闸。

（二）间隔层的功能分析

逻辑结构中的间隔层的主要功能有：①对本间隔过程中的数据信息进行汇总；②对系统结构中的一次设备，实施控制和保护的功能；③对本间隔操作进行闭锁的功能；④对操作同期以及与之相关的内容进行控制的功能；⑤对控制命令、统计运算、数据采集等优先级别进行控制；⑥对上下层之间实施通信功能，可以在一定程度上加大信息通道的冗余度，确保通信能够正常进行。

（三）站控层的功能分析

逻辑结构中的站控层的主要功能有：①对整个系统的实施工作信息，通过两级高速网络继续汇总的同时对原有数据库进行更新，按照时间进行历史数据库的登录；②根据预先制定好的约定，将相关的信息数据传输到控制或者调度中心；③接受由控制中心或者调度中心传输过来的命令，并将相关指令转发到过程层、间隔层进行执行操作；④拥有人机联系、站内监控的功能；⑤对过程层、间隔层的相关设备进行在线修改参数、在线维护等功能；⑥自动分析水电厂内出现的故障的功能。

三、数字化的网络选型

对于数字化水电厂自动化系统来说，网络系统是其命脉所在，其系统的可用性直接由信息传输的快速性与可靠性决定。在传统的水电厂自动化系统中，通常是在单个CPU控制下运行单套保护装置的保护算法与信息采集，使得简洁、快速的进行控制命令输出、运算、A/D转换、同步采样，但在数字化的系统中是由网络上多个CPU相互配合共同完成控制命令的形成、保护算法以及信息的采样，如何更好、更快的进行保护命令的输出以及采用的同步成为较为复杂的问题，网络的适应性也就是其中的一项基本条件，制定合适的通信协议以及提高网络通信速度为其关键技术。使用传统的现象总线技术不能完全满足数字化的技术要求。

【总结】：总之，随着现代社会的不断高速发展，水电厂自动化发展趋势将会朝着数字化网络型发展，根据当今社会针对数字化方面进行相关的研究和开发，在后期的发展过程中数字化水电厂实行的自动化系统，将会有着广阔的发展前景。

【参考文献】：

[1] 王德宽,张毅,刘晓波,何飞跃,余江城,段振国. 智能水电厂自动化系统总体构想[J]. 水电自动化与大坝监测. 2011(01)

[2] 张静芳. 利用健康、安全与环境管理体系进行变电站危险点预控的方法[J]. 广东电力. 2007(01)

[3] 陈文博. 小水电站计算机监控系统的应用与事故处理实例分析——以杨墩水电厂为例[J]. 小水电. 2012(03)

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2.4 结构动力问题的有限元法

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,它有两类研究对象。一类是在运动状态下工作的结构,另一类是承受动力荷载作用的工程结构。结构受载荷处于平衡状态时,是静止不动的;结构有变形,而位移是不随时间而改变的,载荷和内部应力也不随时间而变化,这是静力问题。结构受载荷没达到平衡状态,或由于结构的弹性和惯性而围绕平衡位置振动时,其位移、应力等都是时间的函数,各点有位移还有速度和加速度,这是一种动力问题。有限元方法可以用来分析连续结构的动力问题[70]。

2.4.1结构动力学方程[71]

对于动态结构而言,所受的外力(包括体力、面力、集中力、惯性力和阻尼力)和产生的位移都是时间的函数。应用达伦贝尔原理,把结构的惯性力加入平衡方程中,就可以将弹性的结构的动力问题转化为静力平衡问题来处理。

用有限元法求解弹性结构的动力问题,也是把结构离散成有限个单元的集合体,并取出任意单元,此时单元上任意点的位移都是时间的函数,以表示单元上的节点位移向量,再利用单元的位移插值公式,写出单元的上任意点的位移函数:

(2-11)

其中,为形函数,是位移的插值函数,与时间无关。

则速度和加速度函数为:

(2-12)

(2-13)

其中,、为单元节点的速度和加速度列阵。

将单元内惯性力与阻力作为体积分布载荷分配到单元各节点上,分别记为、,有

将式(2-11)、(2-13)代入上式,有

令 (2-14)

称为单元质量矩阵;

令 (2-15)

称为单元阻尼矩阵。

按达伦贝尔原理,将惯性力、阻力作为载荷,单元叠加得到弹性结构的动力平衡方程:

(2-16)

令 、

则方程(2-16)改写为:

(2-17)

弹性结构的振动本身是连续体的振动,位移是连续的,具有无限多个自由度。经有限元离散化后,单元内的位移按假定的位移形式来变动,可用节点位移插值表示。这样,连续系统的运动就离散化为有限个自由度系统的运动。尽管如此,结构动力有限元计算量比静力的大得多。为保证计算的方便、快捷并满足一定计算精度的要求,可以采用合理的计算方法和计算程序;宜可从力学角度简化动力方程,如通过集中质量矩阵、静力缩聚、主副自由度、模态综合等方法已达到降阶和简化方程的目的。

2.4.2 动力方程的求解方法[58,59,60,61]

一般的连续结构都可以用有限元方法化为有限自由度系统问题,并列出相应的动力方程。在给定的节点载荷作用下,求解动力方程,可归纳为两种方法。一是通过求解大型的矩阵特征值问题确定结构的动力特性,经模态矩阵变换,化为互不耦合的N个单自由度问题,逐个求解并迭加,称振型迭加法。这需要算出系统的各阶振型,而且也仅适用于线性系统和简单的阻尼情况。二是用数值计算直接积分多自由度系统的微分方程,写成矩阵形式用计算机逐步求解,这可用于一般阻尼的情况,并且可按增量法,用逐段线性化的方法求解非线性系统问题。

(1)振型迭加法

对于多个自由度系统,结构的动力反应可以用各个振型动力反应的线性组合来表示,即

(2-18)

式中,为位移向量;为广义的坐标向量;矩阵为振型矩阵,振型矩阵中第列向量即为系统的第个振型向量。将(2-18)式代入系统的动力方程式(2-17),并左乘振型向量后,可得

(2-19)

利用振型关于质量和刚度矩阵的正交性,并假定阻尼矩阵也满足正交性条件,可以得到:

(2-20)

式中、分别为振型质量和振型刚度,为振型阻尼,根据假定也满足正交性条件,即,当采用瑞利阻尼时,很明显,,这个条件是自然满足的;称为振型节点荷载。

逐个求解(2-20)式,即可得到个广义坐标,代入式(2-11),即将得到了结构系统的反应。用振型分解法求得的节点位移是时间的函数,由它插值的单元内部位移、应力、应变的计算与静力计算一样,不同的是这些量都是时间的函数。

用振型分解法求解结构系统的动力反应时有两个明显的优点:一是个相互耦连的方程利用振型正交性解耦后相互独立,变成了个自由度方程,使计算过程大大简化。二是只需按要求求解少数几个振型的方程,就可以得到满意的解答,因为在大多数情况下,结构的动力反应主要是前面几个低阶振型起控制作用。

(2)直接积分法

在结构动力计算中,常用的直接积分法有中心差分法、线性加速度法、法和法等等。

1)、中心差分法

中心差分法的基本思路是将动力方程式中的速度向量用位移的某种组合来表示,将微分方程组的求解问题转化为代数方程组的求解问题,并在时间历程内求出每个微小时段的递推公式,进而逐步求的整个时程的反应。

对于动力方程(2-17)各阶微分可以用中心差分表示为

(2-21)

(2-22)

式中为均匀的时间步长,、和分别为时刻及其前、后时刻的节点位移向量。将式b、c代入a式后可得到一个递推公式如下:

(2-23)

上式即为中心差分法的计算公式,在求得结构的和后,就可以根据t时刻及t-Δt时刻的结点位移,按(2-23)式推算出t+Δt时刻的结点位移;并可逐步推出t+2Δt,t+3Δt,…,tend各时刻的结点位移。 式(2-23)对于t=0的时刻并不适用,因为一般运动的初始条件给出的是初始位移和初始速度,而难以给出前一个Δt时刻的位移,无法直接按式(2-23)进行第一步的计算,因此,这时就要利用其他条件建立中心差分的计算公式,

= (2-24)

(2-25)

再利用t=0时刻的动力方程:

(2-26)

由(2-24)、(2-25)、(2-26)三式,可以求得、和。求解的方程式如下:

(2-27)

这个方程式中的、和都是已知的,因此可以解出。而后就可以按式(2-24)解出和,…。这是一种将时间段划分为若干个相同的时段后的逐步求解方法,求解出的量均是每个时刻结点的位移,因此,很适合于像有限元方法这样以结点位移来计算单元内部位移、应力和应变的各种数值求解问题。

2) 线性加速度法

这个方法的基本思路是把整个振动时程分成很多个时间间隔,并假定在范围内加速度按直线规律变化,在此基础上计算出时刻内的增量位移、增量速度和增量加速度,一步一步地求得整个时程的反应。

将动力方程式写成增量形式的方程:

(2-28)

用时刻的和表示和,代入(2-28)并整理后得

在求出后,及可按下式求出:

(2-30)

这样,t时刻的位移、速度和加速度可按下式

求出:

(2-31)

重复上述步骤,可根据体系的初始条件,一步一步地求得各时刻(1,2,…,n)时系统的动力位移、速度和加速度反应。

3) Wilson-θ法

数值计算方法的一个基本要求是算法的收敛性好,上一节介绍的线性加速度法当体系自振周期较短而计算步长较大时,有可能出现计算过程发散的情况,即计算的反应数值越来越大,直至溢出(overflow),对于多自由度系统,其最小的自振周期可能很小,此时,计算步长Δt必须取得很小才能保证计算不发散。对于结构抗震分析来说,Δt需要选得比地面运动中高频分量的周期以及结构的自振周期小很多(例如10倍以上),才能保证必要的精确度。因此,线性加速度法是一种条件收敛的算法。

Wilson-θ法是在线性加速度法基础上改进得到的一种无条件收敛的数值方法,它的基本假定仍然是加速度按线性变化但其范围延伸到时间步长为θΔt的区段,只要参数θ取得合适(θ≥1.37),就可以取得收敛的计算结果。当然,Δt取得较大时,计算误差也将较大。

在时刻t+θΔt,多自由度系统的运动方程式为

[M]{(t+Δt)}+[C]{ (t+Δt)}+[K]{ (t+Δt)}={P(t+Δt)}

(2-32)

根据Wilson-θ法的基本假定,加速度反应在[t,t+θΔt]上线性变化,即在此区段上运用线性加速度法得到的公式,并将时间步长改为θΔt,即可求得时刻t+θΔt时的加速度反应为

{(t+Δt)}=

(2-33)

在[t,t+θΔt]时段内采用内插法,可以求得t+Δt时刻的加速度为

{(t+Δt)}={(t)}+

={(t+Δt)}+

= (2-34)

根据线性加速度法的基本关系式,利用{(t+Δt)}可得

(2-35)

{} (2-36)

式(2-35)、(2-36)即为用Wilson-θ法计算结构动力反应的公式。

4)Newmark-β法

Newmark-β法的基本假定是:

{δ(t+Δt)}={δ(t)}+ (2-37)

其中,γ和β是按积分的精度和稳定性要求而调整的参数。研究表明,当γ>=0.5,β>=0.25(0.5+γ)2时,Newmark-β法是无条件稳定的。

由式(2-37),可利用{:

{(t+t)}=

(2-38)

{}

(2-39)

考虑到t+Δt时刻的动力方程,有:

[M]{(t+Δt)}+[C] {(t+Δt)}+[K]{}={P(t+t)} (2-40)

将式(2-39)代入上式,可得:

(2-41)

式中

求解方程(2-41),可得{δ(t+Δt)},然后由式(2-39)可解出{}和{}。以此类推,可求出各时刻的位移、速度和加速度。

2.4.3结构体系自振周期、振型计算

结构的自由振动问题！可以归纳为求解广义特征值问题[66,76],广义特征值为1/ω2,广义特征向量为结构的固有振型。

忽略结构的阻尼影响,结构的自由振动方程为:

(2-42)

假设位移向量,由上式得:

(2-43)

式中:[K]、[M]分别为结构的整体刚度矩阵、质量矩阵;

、分别为结构各质点的位移、加速度;

ω为结构自由振动的圆频率。

一般地振型向量≠0,由齐次线性方程组解的理论得:

篇（5）

3厂房结构静动力分析在ANSYS上的实现

3.1 ANSYS软件介绍[77]

ANSYS是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司设计开发的大型通用有限元分析软件,是第一个通过IS09001质量认证的大型分析设计类软件,被美国机械工程师协会(ASME )、美国核安全局(NOA)及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件,已在国务院十七个部委推广使用。

3.1.1 ANSYS软件简介

ANSYS软件融结构、热、流体、电、磁、声学多个领域为一体,能与多数CAD软件接口(如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等)实现数据的共享和交换,是现代产品设计中的高级CAD工具之一。它具备功能强大、兼容性强、使用方便和计算速度快等优点,是目前最为流行的有限元软件之一,广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制作、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业和科学研究领域,是目前世界上唯一可以进行祸合场运算的有限元分析软件。

ANSYS软件提供了不断改进的功能清单,具体包括结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分以及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能[77]。

软件基本的模块包括前处理模块(PREP7)、分析计算模块(SOLUTION)和后处理模块(POSTl和POST26 )三个部分。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析(可进行静动力学分析、非线性分析和热学分析等)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的祸合分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

ANSYS构架分为两层(图3-1),一是起始层(Begin Level),二是处理层(Processor Level)。这两个层的关系主要是使用命令输入时,要通过起始层进入不同的处理器。

图 3-1

ANSYS软件的基本构成为:

(1)节点(Node):节点是构成有限元系统的基本对象,是整个工程系统中的最基本点,工程系统中的一个点的坐标位置。其具有物理称义的自由度,该自由度为结构系统受到外力后系统的反应。

(2)单元(Element):单元是节点与节点相连而成,单元的组合由各节点相互连接。单元是构成有限元系统的基础,在具有不同特性的材料和不同的结构当中,可选用不同种类的单元,单元中包含了物理对象的各种特性,ANSYS提供了100多种不同的单元类型,合适的单元选择将可以大大提高计算精度和效率,故使用时必须慎重选择单元型号。

(3)自由度(Degree Of Freedom):自由度在ANSYS中有重要意义,可以表示工程系统受到外力后的反应结果。其不仅有整体系统的自由度,要在分析中进行适当约束,而且每个节点也有自由度,都有各自的坐标系和对应的节点自由度,并且不同单元上的节点具有不同的自由度。因此在结构分析中选择合适的单元显得尤为重要。

ANSYS软件主要技术特点有以下几个方面:

(1)唯一能实现多场祸合分析的软件;

(2)唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件;

(3)唯一具有多物理场优化功能的FEA软件;

(4)唯一具有中文界面的大型通用有限元软件;

(5)强大的非线性分析功能;

(6)多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置;

(7)支持异种、异构平台的网络浮动,在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容;

(8)强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行多种自动网格划分技术;

(9)良好的用户开发环境;

(10)支持的图形传递标准,如SAT, Parasolid, STEP;

(11)与CAD软件的接口,nigraphics, Pro/ENGINEER, I-Deas, Catia, CADDS, SolidEdge, SolidWorkso

3.1.2 ANSYS在土木工程中的应用

ANSYS在世界范围内已经成为土木建筑行业分析软件的主流,其在钢结构和钢筋混凝土房屋建筑、体育场馆、桥梁、大坝、铜室、隧道以及地下建筑物等工程中得到了广泛的应用,可以对这些结构在各种外载荷条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性做出全面分析,从力学计算、组合分析等方面提出了全面的解决方案,为土木工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。

ANSYS自身具有强大的实体建模技术和三维建模能力,可通过自顶向下或自底向上的方式和布尔运算、坐标变换等多种手段,建立起诸如体育场馆、桥梁、大坝等真实地反映工程结构的复杂三维几何模型。ANSYS提供了智能网格和映射网格两种基本网格划分技术和局部细分等多种网格划分工具,可完成精确的有限元模型。其还具有与CAD软件专用的数据接口,能实现与CAD软件的无缝几何模型传递,实现不同分析软件之间的模型转换,并可读取多种格式的图形标准文件。

ANSYS的计算结果不但可以直观地用图形显示出来,为定性地判断计算结果和和设计的合理性带来了极大的方便,还可以把计算结果列表的形式输出,并对结果数据进行多种计算处理,使用户

定量地计算数据,准确地得出分析结论。提供了许多数据后处理工具,如数据排序、数据运算、单元表、路径结果运算、误差估计、响应谱生成、单点疲劳分析、支反力计算、时间相关数据处理、应力线性化等。ANSYS还提供有计算报告生成器,按用户选定的报告模板或用户申定义的模板生成一个图文并茂的分析报告。

软件可实现结构的静力和动力分析,计算结构的整体和局部失稳;给出结构的自振频率和振型;计算结构在水流、大风、运动车辆载荷和地震载荷等动载荷作用下的响应;结构构件与支撑部位间的接触状态;锚固钢缆、预应力钢筋、钢支撑等钢结构强度分析及其与岩土和混凝土之间的相互作用:斜拉桥、悬索桥等桥梁的钢丝束静动强度分析等等。可任意设定荷载工况,并可完成各种复杂的静、动荷载以及温度荷载工况组合,.能很方便地计算出结构所承受的弯矩、扭矩、轴力以及应力分布和变形情况,找出桥梁在各种运动车辆荷载作用下的最不利位置,ANSYS还可模拟混凝土对钢筋的握裹约束作用以及素混凝土或钢筋混凝土的压碎与开裂、收缩与徐变,大体积混凝土在温度和外力作用下裂隙的分布与扩展过程。可对各种施工过程进行模拟,如杆件的拼装过程、斜拉桥的调索过程、预应力钢筋的张拉过程、混凝土的浇筑过程;模拟地下洞室在高地应力和岩石流变作用下围岩与衬砌的相互作用,以选择最佳建造时间;模拟隧道和洞室在不同施工条件下、不同开挖顺序下,边帮及底板的回弹、错动以及高地应力区岩爆发生的过程:隧道开挖过程仿真及优化开挖顺序;爆破及地震应力波的传播及其对结构的破坏作用;大坝和道路施工过程仿真。土壤在地震等载荷作用下对结构的作用:边坡的稳定性分析;建筑物、支撑、深基、桩等的承载能力与沉陷分析;桩基与土体的祸合分析;在复杂岩基中,边坡和洞室锚固效果分析:岩土节理、裂隙、断裂、岩层等复杂地质特点的力学仿真。可对各种结构的参数和拓扑优化设计;对各种建筑物的加固与修补。此外,利用ANSYS提供的完善的、多层次的二次开发功能,以ANSYS已有程序为基础平台,可以开发出各种典型土木结构专用分析子程序、行业规范验算程序、特殊处理工具等,从而形成自身的可长期持续应用和发展的分析系统。

软件的结构分析功能包括非线性(材料非线性、几何非线性和接触非线性)、动力学(模态分析、瞬态动力分析、谐波响应分析、响应谱分析和随机振动分析)、疲劳、断裂力学及复合材料分析。其涉及结构、热、流体力学、电磁场等学科,能有效地进行各种场的线性和非线性计算及多物理场相互影响的祸合分析。如在结构计算时考虑温度的影响时,就要使用热一结构祸合。多场祸合计算是此产品的突出特色。

此外,软件还具有一些其他功能,如子模型,可以在不增加整个模型复杂性和计算量的前提下获得结构定区域更为准确的结果,亦可用于研究局部结构的变化情况:子结构,把部分结构等效为一个独立单元,可大大节省求解运算时间并提高建模效率:单元死活,可以用来模拟材料添加与去除过程,如山体开挖、大坝修筑、焊接问题等;优化(参数优化和拓朴优化),用来达到用户预设的优化目标或在指定材料用量后确定结构刚度最大的拓扑形状;随机有限元,用概率统计的方法来研究多个不确定输入数据导致的输出数据的不确定性;二次开发,允许用户用APD以ANSYS参数化设计语言)、用户子程序、外部命令、UIDL(用户界面设计语言)对软件进行开发。

ANSYS对土木工程的一些热点问题有其独特的实现方法,如预应力施加及计算、施工过程模拟、空间动态载荷模拟等。

ANSYS在我国的很多大型土木工程中都立下了汗马功劳,利用ANSYS进行土木工程分析的例子不胜枚举,如:目前中国最高的建筑—88层楼的上海金茂大厦、上海浦东二十一世纪中心大厦、深圳南湖路花园大厦、国家大剧院、上海科技馆太空城、南阳体育中心体育馆、广州市新体育馆主场馆、山东潍坊富华水上娱乐中心水上皇宫、重庆市标志建筑朝天、上海新国际博览中心一期、黄河下游特大型公路斜拉桥、黄州大桥V形刚构的仿真、龙首电站大坝、九甸峡大坝、东深供水改造工程、南水北调工程、金沙江溪落渡电站、二滩电站、龙羊峡电站,三峡工程等等。此外,同济大学桥梁系用ANSYS设计分析了各种桥梁、清华大学利用ANSYS研究和设计了新型“大跨度双向拉索斜拉桥”和“大跨度双向拉索悬索桥”(己获专利)、西南交通大学土木工程学院用ANSYS模拟引水工程隧道的施工过程,武汉大学土木建筑工程学院用ANSYS研究和设计了拱坝、面板堆石坝、复杂地下洞室群、大型输水结构,并模拟了其施工力学过程。

3.2 水电站厂房结构静动力分析在ANSYS上的实现

3.2.1 水电站厂房结构静力分析[78]

静力分析计算在固定不变载荷作用下结构的响应,它不考虑惯性和阻尼影响--如结构受随时间变化载荷作用的情况。可是,静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响(如重力和离心力),以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷(如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷)的作用。

水电站厂房三维有限元结构静力分析主要是研究水电站厂房在自重、静水压力、发电设备自重、波浪压力、泥沙压力以及扬压力共同作用下水电站厂房结构的应力、应变和变位。ANSYS软件在计算结构静力问题时主要遵循以下流程:

图 3-2

3.2.2 水电站厂房结构动力分析

水电站厂房的动力分析主要研究厂房在地震、机组振动等动力荷载作用下的响应。厂房结构由于地震激发引起震动,从而使结构产生随时间变化的位移、速度、加速度、内力和变形,这种作用在短时间内完成。ANSYS中对水电站厂房动力分析主要是对其进行抗震分析,谱分析是一种有效方法[77,79]。

谱分析是一种将模态分析结果和已知谱联系起来,然后计算模型位移和应力的分析技术。在ANSYS软件中,谱分析替代时间历程分析,主要用于模型在确定荷载或随机荷载作用下,获取结构的响应情况。

反应谱代表单自由体系对历时荷载函数的响应。它是响应与自振频率的关系曲线,其中响应包括位移、速度、加速度和力。ANSYS中有两种反应谱分析:单点反应谱分析(Single Pt Resp)和多点反应谱分析(Multi Pt Resp)。其中,单点反应谱分析表示只在模型的一个点集上定义一条或一族反应谱曲线,而多点反应谱分析可以在模型的不同点集上定义不同反应谱曲线。

ANSYS软件在进行地震谱分析主要包括一下几步,流程见图3.3。

图 3-3

(1)创建有限元模型

通过创建点、线、面、体建立水电站厂房的实体模型,选取适当的单元类型,设置单元实常数,定义材料类型,最后通过自由或者映射剖分方法划分有限元模型。由于只有线在谱分析里面是有效的,所以在选取单元是非线性单元被当作线性单元来使用。

(2)获得模态解

模态分析是一个线性分析,任何非线性分析选项,如塑性或着间隙单元,即使定义也将被忽略。在模态分析中,只可以施加零位移约束,如果在某个位置上指定了一个非零位移的约束,则程序将以零位移约束代替该约束。在未加位移约束的方向上,程序将计算刚体运动(零频)以及高阶(非零频)自由体模态。如果指定了除 位移约束外的其他荷载,则这些荷载将在模态提取中被忽略。但是,程序会计算出相应于所加荷载的荷载矢量。模态的提取方法有Block Lanczos、子空间、缩减三种方法。

Block Lanczos:分块Lanczos方法。该方法采用一组特征向量来实现Lanczos迭代计算。其内部自动采用稀疏矩阵直接求解器(即使指定了求解器)。这种方法的精确程度与子空间方法一样,但速度更快。当知道系统的频率范围是,用分块Lanczos法是不错的选择。此时,程序求解高频部分的速度与求解低频部分的速度几乎一样快。

子空间(Subspace):该方法采用子空间迭代技术,默认使用的求解器是雅可比共扼梯度求解器JCG。由于该方法采用完整的[K]和[M]矩阵,所以其计算精度很高,但是速度很慢。这种方法通常用于无法选择主自由度(MDOF)的情况,特别是对大型对称特征值求解时。

缩减法:该方法用主自由度(MDOF)来计算特征值和特征向量。主自由度方法在计算过程中尽管可以生成精确的[K]矩阵,但只能生成近似的[M]矩阵,这将导致一定的质量损失。因此,这种方法尽管速度非常快,但是精度却不是很高。其计算精度取决于主自由度的数目和位置。

(3)获得谱解

反应谱可以是位移、速度、加速度或力。除了力谱外,其他三种代表地震谱,也就是它们被假定施加在基础上。力谱可以施加在模型的任何位置。

(4)扩展模态

模态分析中,所要求的主要是频率和振形,这些内容被写到输出文件Jobname.OUT及振形文件Jobname.MODE中。但是,由于振形并没有写入到数据库或者结果文件中,因此不能对结果进行后处理,要进行后处理,还需要对模态进行扩展。

所谓扩展,就是将振形写入到结果文件中。如果想要在后处理中查看振形,必须首先将模态进行扩展。

(5)合并模态

反应谱分析首先得到的是系统各阶模态下的位移反应谱,但是,这并不代表已经求得了系统在整个模态中的响应,这些模态响应之间存在耦合,并且,由于所有模态的最大值不可能同步出现,所以,直接把各阶模态响应直接相加是不符合实际情况的。

ANSYS软件中对模态响应谱组合的方法有:CQC方法(全二次组合)、GRP方法(分组组合)、DSUM方法(双求和方法)、SRSS方法(先求平方和、再求平方根的组合方法)

(6)查看结果

在POST1中可以查看结构的变形,显示应变、应力等值线图。

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篇（6）

前言

在砂卵石地基上进行引水式水电站厂房的建设，如果其地基出现不均匀或过大的沉降，都会给厂房的安全造成极大的影响，甚至对整个水电站的安全运行造成危害。而水电站在建设厂房的过程中，采取分机组段建设的一个重要因素就是考虑到了在各个机组段之间可能会发生不均匀的竖向沉降。因此，对引水式水电站厂房在砂卵石地基上进行建设发生的不均匀沉降问题进行研究，具有十分重要的意义。

1 砂卵石地基的地址特性

1.1 不均匀性

砂卵石地基通常位于河床软弱地基，在砂卵石的沉积过程中，周围的自然环境键位复杂，而且十分多变。砂卵石的内部层次结构、物质组成等都会发生较大的变化。在砂卵石当中，往往都会含有粘性土、细粉砂等工程性质较为不良的软弱夹层。因此，砂卵石具有很大的不均匀性，砂卵石地基的不均匀性变发生机率也很大。

1.2 压缩性

从砂卵石材料的内部机构构成及其主要组成成分等方面来看，砂卵石具有很大的压缩变形特征。按照疏密程度来划分，砂卵石通常分为密实、中密和稍密等形式。如果在其上建设引水式水电站厂房，砂卵石将会受到压力而发生形变，进而导致不均匀沉降[1]。

1.3 抗剪性

砂卵石地基的承载力和抗剪强度会受到很多因素的影响。其中，砂卵石材料内部的结构、砂卵石当中的级配等因素产生的影响最大。通常情况下，级配良好、结构密实的地基才具有较高的承载能力，其抗剪性能也比较高。但是，砂卵石的特性决定了其密实程度十分有限，难以承载过重的厂房，因此其抗剪性能也十分有限。

1.4 渗透性

砂卵石作为一种软弱地基，其渗透性很强。对于大多数砂卵石材料来说，其渗透系数都比较大。因此在砂卵石地基当中，时常会出现渗漏的情况，进而对地基的稳定性造成影响。如果稳定性降低到一定程度，将会导致水电站厂房发生不均匀沉降的情况。

2 砂卵石地基上引水式水电站厂房的不均匀沉降

砂卵石地基中存在的各种问题，对引水式水电站厂房的安全造成了很大的威胁，尤其是其沉降现象更为严重。砂卵石地基的沉降可能造成两种情况，一种是过大的沉降量降低了建筑物的标高，使其正常运行和使用受到了影响。另一种是过大的不均匀沉降可能导致建筑物的倾斜、倒塌、混凝土部件的开裂等情况，不但会对建筑物的使用造成影响，对其结构安全造成威胁。严重时，还可能对人们的生命财产安全造成损害[2]。

对于以上情况，如果砂卵石的覆盖层厚度较小，而且全部挖出较为方便，就可以将其全部挖出，然后换填性能更为良好的材料。如果砂卵石覆盖层厚度较大，或者挖掘不易，将会导致施工难度和施工成本大增，因此不宜采用此种处理方法。所以，对于实际情况不同的砂卵石地基，通常要采取不同的方法进行处理。在相应处理完成之后，砂卵石地基的不均匀沉降现象将会得到一定的控制。但是如果砂卵石覆盖层的厚度过大，或是不同地方的厚度差异过大，就不能单靠常规的地基处理方法对其进行处理。此外，进行地基处理还需要花费大量的资金，不利于施工成本的控制。

因此，在砂卵石地基上进行引水式水电站厂房建设的过程中，应当对不均匀沉降进行细致的研究，利用有限元模拟计算方法，对不均匀沉降值计算。根据计算结果，采用不同处理方案，对砂卵石地基上引水式水电站厂房不均匀沉降进行处理过程中的，不均匀沉降差值和沉降规律等信息进行研究和分析，从而选择最为合理、经济、有效的砂卵石地基处理方案。同时，在砂卵石地基处理的过程当中，要对各方面的细节和技巧加以重视。这样，能够对砂卵石地基上引水式水电站厂房的不均匀沉降情况进行有效的控制和降低，最大限度的确保水电站厂房的运行安全和质量安全，使其能够正常的发挥作用，同时避免安全事故的发生[3]。

3 不均匀沉降的应对措施

砂卵石地基的材料强度较低，其结构也十分复杂，因此很容易发生不均匀沉降的情况。而在施工过程中，如果用其它性质较好的材料来替换砂卵石覆盖层，又会极大的增加工程量，同时也会提高施工难度。因此，在引水式水电站厂房的建设过程中，应当采取适当的应对措施，对砂卵石地基进行处理，尽量降低或避免砂卵石地基造成的不均匀沉降现象[4]。

在实际施工过程中，采取的主要方法是部分清除、固结灌浆、振冲碎石桩、高压旋喷桩等方式，对砂卵石地基进行处理，提高砂卵石材料的强度及其承载力，从而降低地基不均匀沉降现象。同时还能够有效的将地基渗漏情况减小，防止砂卵石地基发生震动液化的情况，这样对于引水式水电站厂房的安全运行具有十分良好的意义。另一方面，砂卵石地基还可能发生震动液化的情况。因此要对砂卵石地基进行仔细的检查。如果其中存在可液化土体，应当及时进行清除，同时进行振动碾压，使其中的孔隙率降低，提高土体的密度，增强土体强度和抗液化能力。

4 实际应用

四川省甘孜州九龙县踏卡水电站厂址区采用的就是振冲碎石桩的方式处理基础。前期勘探发现厂房持力层以下有厚度在5～15m的细砂夹粉土层。该土层主要由中细砂及粉土等细粒物质组成，物理力学性质较差，透水性微弱，如果遇到地震，则有液化可能。因此为了厂房建筑物的安全，经过方案对比，最后采用了振冲碎石桩对基础进行处理。

5 结束语

对于一般的建筑物来说，地基的安全性和稳定性对建筑物的质量和结构安全具有十分重要的意义，也是建筑物功能正常发挥的重要保障。而在引水式水电站厂房的建设中，由于实际地形的限制，使得其只能选择砂卵石作为地基。但是砂卵石的各种特性决定了其不适合作为地基使用，否则极易出现不均匀沉降的情况。对此，应当细致的分析和掌握沉降的具体原因，采取相应的措施进行处理，降低和避免不均匀沉降的发生，进而保障引水式水电站厂房的安全。

参考文献

篇（7）

中图分类号：TU755文献标志码：A文章编号：

1672-1683（2015）02-0362-04

Analysisofthermalstressesandcrackcontrolmeasuresinmassconcreteofhydropowerstationpowerhouse

DINGBing-yong1，YANGZhong-liang1，TANGYu-lian2，CHENShou-kai3，ANXiao-wei3

（1.HuadongEngineeringCorporation，Hangzhou310014，China;

2.ZhejiangWaterConservancyandHydroelectricpowerConsultingCenter，Hangzhou310020，China;

3.SchoolofWaterResources，NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450045，China）

Abstract：Theconcretestructureofhydropowerstationpowerhousecaneasilycrackduringtheconstructionperiod.Inthispaper，three-dimensionalfiniteelementmethodwithunsteadytemperatureandstressfieldwasusedtosimulatethewholeconstructionprocessoftheunderpartconcretestructureofahydropowerstationpowerhouse.Thedevelopmentprocessanddistributionregularityofthetemperaturefieldandstressfieldwereobtained，andthefeasibletemperaturecontrolandcrackpreventionmethodswereproposedaccordingtothecomputationresults.Theanalysisshowedthatonthebasisoflowtemperaturebeforeconcretepouring，temperaturecontrolandcrackpreventionmeasureswithsurfaceheatpreservationandinternalheatconductioncaneffectivelydecreasethetemperaturedifferencebetweentheinternalandexternalearly-ageconcrete，andalsodecreasethetemperatureamplitudeoflater-ageconcrete，whichcanimprovethesafetyagainstcrackingofthepowerhouseconcrete.

Keywords：hydropowerstationpowerhouse;massconcrete;finiteelementmethod;thermalstresses;temperaturecontrolandcrackprevention

水电站厂房下部是一个形状复杂、体积庞大的大跨度厚壁空腔混凝土结构，受其自身和周围介质温度、湿度变化的影响，以及基岩的约束作用，往往在不同部位产生较大的温度应力，进而导致混凝土产生裂缝。如不有效控制混凝土裂缝的产生，将破坏厂房下部结构的整体性，缩短其使用寿命，甚至改变其结构的受力状态，影响建筑物安全。

本文采用混凝土非稳定温度场及应力场的有限元计算方法，依据混凝土材料热力学性能试验的研究成果，对某水电站厂房下部混凝土结构施工期的温度场及应力场进行仿真计算分析，并基于分析成果提出切实可行的温控防裂措施，进而有效控制混凝土温度裂缝的产生，为水电站厂房下部结构混凝土的温控设计和施工提供参考。

1计算原理及方法

1.1非稳定温度场计算原理及方法

在混凝土计算域R内任意一点处，非稳定温度场T（x，y，z，τ）需满足热传导方程：

Tτ=a（2Tx2+2Ty2+2Tz2）+θτ（1）

式中：T为温度（℃）;a为导温系数（m2/h），θ为绝热温升（℃）;τ为时间（h）。温度场有限元计算方法见文献[1]。

1.2水管冷却问题的处理

文献[1]中给出了一套近似解法，即把冷却水管看成负热源，在平均意义上考虑水管冷却效果，可得混凝土等效热传导方程：

Tτ=a（2Tx2+2Ty2+2Tz2）+（T0-TW）τ+θ0ψτ（2）

式中：T0为混凝土初温（℃）;TW为冷却水温度（℃）;为考虑初始温差影响的函数（℃）;ψ为考虑混凝土绝热温升影响的函数（℃）。

1.3应力场计算原理及方法

混凝土在复杂应力状态下的应变增量包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、干缩应变增量和自生体积应变增量，因此有

{Δεn}={Δεen}+{Δεcn}+{ΔεTn}+{ΔεSn}+{Δε0n}（3）

式中：{Δεen}为弹性应变增量;{Δεcn}为徐变应变增量;{ΔεTn}为温度应变增量;{ΔεSn}为干缩应变增量;{Δε0n}为自生体积应变增量。应力场有限元计算方法见文献[1]。

2计算模型和参数

2.1计算模型

本文选取某水电站厂房标准机组段的下部混凝土结构，上下游方向长85.4m，宽30m，高33.3m。有限元计算分析模型（图1）中地基在上下游和深度方向各延伸一倍混凝土结构高度。模型总共设18个浇筑层，约束区层厚1～2m，非约束区层厚2～3m，每层内又划分2～6个浇筑块。

2.2主要计算参数

工程区多年月平均气温统计见表1。

基岩和混凝土的主要热力学计算参数见表2和表3。

2.3边界条件

温度场计算时，计算模型中地基底面及四周侧面取为绝热边界，机组段的上下游面及其它临空面为固体散热边界，根据多年平均风速和覆盖的保温材料赋予相应的表面放热系数。应力场计算时，地基底面及四周侧面取为法向约束，其它临空面为自由边界。

3计算工况

工况1：6月1日开始第一层混凝土浇筑，按规范要求控制浇筑温度不低于5℃，不高于28.0℃。

工况2：6月1日开始第一层混凝土浇筑，控制混凝土的浇筑温度不高于18℃。混凝土表面保温措施：3月-5月（春季）、9月-10月（秋季）浇筑的混凝土，浇完后立即对新浇混凝土的仓面及模板外侧覆盖1cm厚泡沫塑料板进行保温，到龄期14d时拆除;12月-2月（冬季）浇筑的混凝土，浇完后立即对新浇混凝土的仓面及模板外侧覆盖2cm厚泡沫塑料板进行保温，至冬季结束;在进入施工期第一个冬季前（11月份），对所有混凝土表面覆盖2cm厚泡沫塑料板至冬季结束。混凝土内部冷却水管通水措施：混凝土浇筑完毕后立即进行通水冷却，水管间距1.5m×1.5m，4月-10月使用15℃制冷水，其它月份采用天然河水，流量1.5m3/h，通水时间10d，每24h换向一次。

4计算结果分析

4.1工况1计算结果分析

选取尾水管底板部位混凝土表面点和内部点作为特征点，绘制温度及应力历时曲线（图2）;选取机组横剖面作为典型剖面，绘制温度及应力包络图（图3），图中拉应力为正，压应力为负，Δ′t为允许应力曲线，由极限拉伸强度除以安全系数（为1.8）获得。

对于浇筑初期的混凝土，表层混凝土的温升幅度远小于内部混凝土，从而产生较大的内外温差。混凝土也因此产生了相应的内外变形约束。此时，外表面混凝土处于相对收缩变形的状态，而内部混凝土则相反，处于相对体积膨胀的状态，因而在表面相对受张拉的区域出现拉应力，而在结构内部相对受挤压的区域就产生了压应力。且当温差足够大时，混凝土表面的拉应力就能够达到甚至超过混凝土的即时允许应力。如图2中尾水管底板混凝土早期最大内外温差达到12℃左右时，表面拉应力已超出即时允许应力，极易导致混凝土早期表面裂缝的产生，有必要采取温控措施以降低早期混凝土过大的内外温差。

混凝土温度达到峰值以后就开始下降，但外表面降温幅度远小于内部的降温幅度，相对而言，此时内部混凝土的体积收缩变形大，而结构近表面区处于相对被压缩的变形状态。在温度变形作用下，表面拉应力和内部压应力逐渐减小。如图2所示，随着内部混凝土温度的进一步降低，混凝土内部的应力有可能从压应力转化为拉应力，从而表面混凝土逐渐表现为受压状态。当这种变形过大时，内部拉应力甚至会超过混凝土的允许抗拉强度。

若不考虑由内外温降幅度不同而引起的混凝土自身的应力状态变化，仅考虑受外界气温逐渐下降的影响（夏季高温阶段到冬季寒冷时刻），尾水管底板混凝土结构相对与下部地基来说，处于温降收缩变形状态，受地基约束作用影响，混凝土内外都呈现出拉应力增长或压应力减小趋势，并在环境气温最低时达到极值。由图3可以看出，在遭遇寒冷冬季时，夏季浇筑的尾水管底板混凝土，由于后期温降较大，再加上受地基强约束作用，后期混凝土的内外拉应力均已超出允许应力，此时极易造成混凝土开裂。可见，有必要采取温控措施以降低混凝土后期温降幅度。

4.2工况2计算结果分析

计算得出工况2的温度及应力历时曲线见图4，温度及应力包络图见图5。

对比图2和图4可以看出，采取降低浇筑温度和“外保内降相结合”的温控措施后，一方面，混凝土早期内外温差大大减小，仅为5℃左右（工况1约为12℃），相应地混凝土内外相对变形也减小，早期混凝土的表面拉应力状态也随之得到改善早期表面最大拉应力仅为0.3MPa（工况1为0.6MPa，小于混凝土的即时允许应力;另一方面，早期混凝土的温升幅度得到降低，混凝土内部最高温度仅为32℃左右（工况1约为39℃），相应地后期温降幅度也明显减小，从而使后期温降所致的混凝土拉应力也明显减小，混凝土的后期最大拉应力约为1.1MPa（工况1约为1.6MPa），小于混凝土的即时允许应力。

对比图3和图5可以看出，夏季浇筑的混凝土内部温度峰值大幅降低，大部分区域的混凝土拉应力状态均得到明显改善，抗裂安全性大大提高。

5结论

（1）从应力历时曲线看，混凝土开裂可能性较大的时刻（混凝土所承受的拉应力超过其即时允许应力），一是在新浇混凝土块龄期较短时，二是在经历冬季外界气温较低时。

（2）从有无采取温控措施的工况1和2的计算结果对比来看，采取降低浇筑温度和内部水管冷却相结合的温控措施，能显著减小早期混凝土的温升幅度和内外温差以及后期的温降幅度，对混凝土的温控防裂有多重作用，十分有效。

（3）通过计算和分析发现，工况2中所提出的温控方案，基本满足本工程中混凝土抗裂安全系数达到1.8的要求，结构的抗裂安全得到保障。

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篇（8）

兴隆水利枢纽位于汉江下游湖北省潜江、天门市境内，上距丹江口枢纽378.3km，下距河口273.7km，由泄水闸、船闸、电站厂房、鱼道、两岸滩地过流段及交通桥组成，正常蓄水位36.2m，水库总库容4.85亿m3，灌溉面积327.6万亩，规划航道等级Ⅲ级，电站装机容量40MW。兴隆电站厂房基础主要采用水泥土搅拌桩复合地基，水泥土搅拌桩桩径800mm。搅拌桩与建基面间铺设20cm水泥砂褥垫层。

二、试验目的

1、为确定施工过程中各项指标，对水泥砂褥垫层进行生产性试验。核实水泥砂褥垫层设计填筑标准的合理性。

2、根据现场生产性试验确定各种施工参数，松铺厚度、碾压变数、碾压设备等，以达到设计标准的夯填度、相对密度、渗透系数。

3、通过生产性试验完善施工工艺及施工措施。

三、施工准备

1、试验场地选择，并对场地进行平整及压实；对试验区基面进行测量并形成记录。

2、水泥及粉细砂等材料准备及压路机等设备就位。

3、根据室内试验成果，计算出各种材料（水泥、粉细砂、水）用量，并形成配料单，严格按照配料单进行拌料。

4、按照设计参数及室内试验成果，确定拌合料的松铺厚度；

四、施工参数

设计指标：

1．水泥掺量4.5%

2.夯填度＜0.87

3.相对密度≥0.7

4.渗透系数K3d≤i×10-4cm/s（i=1～9）

根据外委室内试验结果，水泥砂的各种最小干密度和最大干密度如下表

表4-1

根据砂的最大干密度（dmax）、最小干密度（dmin）以及设计相对密度Dr，按照公式，反算得出，掺量4.5%水泥时，其要求干密度≥1.45，掺量为6%水泥时，其要求干密度≥1.46。

五、试验场地选择及试验方案

1、试验场地选择在兴隆电站厂房标拌和站左侧的平地上，占地面积约81m2，将试验场地划10块，总占地面积90*90m2。

2、碾压设备采：用2.2kw平板夯及功率为4kw 的HZD-200手扶夯。

3、根据设计夯填度≤0.87及设计图纸要求水泥砂褥垫层厚度20cm，反推出松铺厚度23cm，碾压试验现场控制虚铺厚度为25cm～26cm。

六、碾压试验方法

1、试验前首先对粉细砂开采区进行含水率检测。检测结果表明：剥离覆盖层以下100cm粉细砂料含水率在6.4%±0.2%，

2、水泥砂拌和据试验室开具的料单准确控制粉细砂的含水率和水泥掺量

3、采用15t自卸汽车运输，人工进行摊铺、平整、找平。

3、现场层厚、平整度控制：用水准仪检查铺土平均松铺厚度，2m工程检尺检查平整度，满足要求后进行碾压。

4、碾压：每层按预定碾压遍数进行碾压。2.2kw平板振捣器夯实对水泥粉细砂分别进行3遍、5遍、7遍夯实；4kwHZD-200手扶夯夯实对水泥粉细砂分别进行4遍、6遍夯实。

5、质量检测：将表面土层用铁锹清除和取样，取样深度为铺土压实层的1/4处，环刀法取样。每块检测2个点，点位均匀地分布在试验段的平面上，取样完成后对试验坑进行同类水泥砂回填、夯实并做标记，以避免试坑重复取样。采用酒精燃烧法检测含水率。对各试验组合进行土样测定采集数据、计算含水率、干密度和相对密度。

七、成果整理

粉细砂夯填度计算公式：夯填度=

粉细砂相对密度计算公式：

粉细砂注水渗透试验计算公式：

Dr ----相对密度

----最大干密度，g/cm3

----最小干密度，g/cm3

----实测干密度，g/cm3

K----试验土层渗透系数，cm/s

Q----注入流量，L/min

F----试环面积，cm2

八、数据分析

根据试验成果对数据进行分析，结果如下描述：

1、2.2kw平板振捣器夯实

水泥掺量为4.5%、含水率12%±1%时，对水泥粉细砂分别进行3遍、5遍、7遍夯实，相对密度分别0.6、0.73、0.78；夯填度分别为0.92、0.82、0.76

水泥掺量为6%、含水率12%±1%时，对水泥粉细砂分别进行3遍、5遍、7遍夯实，相对密度分别0.59、0.71、0.74；夯填度分别为0.89、0.83、0.76

2.2kw平板振捣器夯实5遍、7遍均能达到设计要求，但夯实5遍的相对密度及夯填度偏低。

2、4kwHZD-200手扶夯夯实

水泥掺量为4.5%、含水率12%±1%时，对水泥粉细砂分别进行4遍、6遍夯实，相对密度分别0.76、0.82；夯填度分别为0.77、0.73

水泥掺量为6%、含水率12%±1%时，对水泥粉细砂分别进行4遍、6遍夯实，相对密度分别0.76、0.78；夯填度分别为0.79、0.77

4kwHZD-200手扶夯夯实4遍、6遍均能达到设计要求，夯实4遍完全能满足设计要求

九、结论

选择同样碾压遍数、设备，含水率12±1%时，4.5%水泥掺量粉细砂的相对密度优于6%水泥掺量粉细砂的相对密度

不同掺量的水泥粉细砂，选用4kwHZD-200手扶夯的压实效果均优于2.2kw平板振捣器的压实效果；试验结果统计见下表

表9-1

篇（9）

尼泊尔电力局(NEA)是全国唯一负责电力生产和供应的机构，除自身规划和开发建设运营电厂外，NEA还通过购电协议(PPA)的方式购入独立电力生产商(IPP)的电力。此外，也负责通过尼泊尔电网与印度的电力交易。(1)电力供求现状。2012/2013财政年度，尼泊尔电力系统最大负荷需求达到1094．62MW，比上年增长约9%，其中电网可提供电力719．6MW，其余335MW无法满足。同时，尼泊尔电力系统电量需求达到5446．285GW·h，比上年增长约7．7%，其中，电网可提供电量为4260．45GW·h，其余的1185．835GW·h无法满足，不得不轮流限电。尼泊尔供电量分类情况见表2及图1。由表2及图1可以看出，即使考虑从印度购电792．52GW·h后，尼泊尔仍缺电量约1185．835GW·h，缺电量占需电量比例达21．8%，电力供需矛盾非常突出。(2)电源现状。尼泊尔电源基本上都来自水电站，仅有少量来自热电(柴油发电)和太阳能电站。截止2012/2013财年底，全国总装机容量为762．0MW，其中，NEA水电装机容量477．9MW，IPP水电装机容量230．6MW，热电53．4MW，太阳能0．1MW。全国电网总装机容量为757．5MW，未接入电网的独立小水电站装机容量为4．5MW。截止2012/2013财年底，尼泊尔在建水电站共6座，总装机容量为732．0MW。(3)电网现状。尼泊尔综合电力系统(INPS)由7条循环传输线路组成，包括:全长1109．7km的132kV单循环线路，全长1020km的132kV双循环线路，全长224．16km的66kV单循环线路，全长287km的66kV双循环线路。132kV变电站有27座，总容量为1375．7MVA;66kV变电站有15座，总容量为463．75MVA。目前，在建1条400kV输电线路，总长为570km;在建3条220kV输电线路，总长为446km;在建9条132kV输电线路，总长为793km。在建变电站12座，总容量为559MVA。

1．2电力发展规划

(1)历史用电情况。尼泊尔主要依靠水力发电，但由于水电站建设不足，电力供应仍十分紧张，全国仅40%的人口能用上电。尼泊尔近10a供电量及最大负荷需求见表3及图2。(2)电力需求预测。结合历史用电情况，NEA对工业、商业、居民及其他用电进行了分类预测。按推荐值，2025/2026财年，尼泊尔最大负荷将达到3176．7MW，需电量将达到14971．2GW·h。尼泊尔电力需求预测见表4和图3。由表4可推算出，NEA预测的尼泊尔2013～2028年最大负荷及需电量年均增长率约8．0%，略低于前10a的负荷增长率8．7%。(3)电源建设规划。尼泊尔政府在2001年出台过水电发展政策，但进程缓慢。2007年4月水电开发重新提上议程，临时政府也出台了一些有关水电开发的优惠政策。截至2012/13财年底，总装机容量为762．0MW，仅占其技术可开发量的1．8%，水电开发潜力巨大。根据电源建设安排，尼泊尔规划建设水电站6座，总装机容量达1892MW。(4)电网规划。根据电网规划，拟建400kV输电线路4条，总长为1320km;拟建220kV输电线路8条，总长为1309．8km;拟建132kV输电线路15条，总长为1540km。拟建变电站44座，总容量为6818MVA。

2电力市场空间分析

2．1相关执照及许可证

尼泊尔水电项目管理程序透明、公开。对装机1MW以上水电项目的开发，需要获得以下4种执照或许可:①勘查许可证，针对研究项目;②发电许可证，针对建设和运营发电设施;③传输电许可证，针对建设和运营输电设施;④配送电力许可证，针对建设和运营配电设施。根据尼泊尔电力开发署公布的数据，截止2013年12月31日，已签发勘查许可证的水电工程共有305个，总装机容量为8519．64MW;已签发发电许可证的水电站共有78座，总装机容量为2139．52MW。

2．2电力市场空间分析

根据尼泊尔电力系统负荷预测成果，2025年，尼泊尔最大负荷将为3176．7MW，考虑系统备用容量后，系统需要总装机容量约为3970．88MW。截止2012/13财年底，接入尼泊尔电网的总装机容量为757．5MW。其中，水电704MW、热电53．4MW、太阳能发电0．1MW。目前，在建水电工程的总装机容量大约为732MW，待建电站总装机容量为1407．52MW。根据尼泊尔电网已建、在建及待建水电站装机容量，结合考虑电力系统必需的检修、事故、负荷备用容量，对其电力市场的空间分析结果列于表5。由表5可见，考虑已建、在建及待建电站装机容量后，到2025年，电力系统有近1073．86MW的电力市场空间;其水电站大部分为径流式，由于冬季河流来水减少，出力不足，工作容量如果按1/3考虑，则2025年大约可提供1432．34MW的电力，尚缺2538．54MW，电力市场空间较大。此外，尼泊尔可供开发的水电资源达42000MW，但其国内需求有限，按照NEA的负荷预测结果，即使考虑增长到2025年，总的负荷需求仅约3176．70MW，不到可开发水电装机容量的10%。因此，具有极大的潜力向境外送电。而印度北部电力需求巨大，有望成为尼泊尔水电的主要供电市场。

3风险分析

(1)经济风险。由于缺乏资金投入，政府鼓励私人投资水电项目并给予优惠扶持政策。目前，NEA给私人投资的水电(25MW以下)上网电价为:旱季7卢比/kW·h(约合9．7美分/kW·h)，雨季4卢比/kW·h(约合5．5美分/kW·h)。在尼泊尔投资的独立电力生产商都必须与NEA签订PPA。尼泊尔是联合国确定的最不发达国家之一，其国家电力局处于亏损运营，虽然目前尚无违约不付记录，但这种风险将随着其不良运营状态的持续而加大。(2)法律风险。尼泊尔是最早实施国际BOT项目的国家之一，因而相应的法规制度较为完备，吸引了国际上许多公司来开展BOT项目，包括水电站建设。(3)汇率风险。根据2000～2010年均汇率统计数据分析，尼泊尔汇率波动较为稳定，基本保持在65．00～77．90美元/卢比之间，并且卢比呈现小幅升值趋势。(4)水文风险。尼泊尔近年来尤其注重吸引外国投资者参与其水电项目的建设运营。其境内大多数河流均有较长的实测水文系列，资料精度较为可靠，但河流径流具有随机性的特点，将造成发电量的不确定性，实际发电量可能偏离设计值，当遭遇枯水年时，将带来项目发电收入降低的风险。因此，需要在发电收入计算时留有适当余地。(5)电力市场风险。电力市场分析以负荷预测为基础，从目前预测情况看，其电力市场空间较大。但实际的电力负荷需求受到经济社会发展情况等因素影响，从尼泊尔负荷特性初步分析结果来看，水电项目雨季电量消纳存在一定困难，需要在发电收入计算时留有适当余地，并在购售电协议中取得对电量消纳的承诺，以确保项目收入的实现。

篇（10）

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