某水电站蜗壳外包混凝土结构布置选择

某水电站蜗壳外包混凝土结构布置选择
舒婧
【摘要】本文从分析不同蜗壳（金属蜗壳）结构形式入手，同时对不同蜗壳结构形式的分析，并通过新疆目前已建最大装机的某水电站工程实例，结合三维有限元的分析成果，说明蜗壳外包混凝土结构选择考虑的原则及设计方法，希望能为类似的工程结构提供一些参考。

%This article start from the (metal spiral) structure analysis of different volute,simultaneous analysis of different forms of spiral structure ,and taking a hydropower project in Xinjiang which is the largest installed capacity built as an examples,combined with the results of the three-dimensional finite element analysis,it in-dicates outsourcing concrete volute structure selection principles and design considerations ,hoping it to pro-vide some references for familiar engineering structures.
【期刊名称】《吉林水利》
【年(卷),期】2014(000)002
【总页数】3页(P53-55)
【关键词】蜗壳;外包混凝土;弹性垫层;承载比
【作者】舒婧
【作者单位】新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000
【正文语种】中文
【中图分类】TV74
世界上主要一些国家的蜗壳结构设计根据蜗壳埋入方式的不同可分为三种基本类型：①钢蜗壳与外包混凝土直接接触的联合作用埋入方式，蜗壳内加支撑以防蜗壳变形，外部用锚钩固定于外包混凝土中，即空壳埋入法。

②在充水加压状态下浇筑外包混凝土的蜗壳打压埋入法。

③蜗壳上半部范围加弹性垫层，以减少蜗壳向外围钢筋混凝土结构传递内水压力，其他同①的垫层蜗壳埋入法。

不同的埋入方法，蜗壳及外包混凝土的受力状态不同，设计所考虑的因素各异，对机组运行的影响也各有利弊。

（1）联合作用埋入法分析
采用联合作用埋入方式，蜗壳的受力方式类似于联合受力的压力钢管，对高水头机组通过合理的设计，有可能减少蜗壳的钢板厚度，避免采用厚板材带来不利影响，同时此种埋入方式由于蜗壳与混凝土直接接触，可以减轻座环与蜗壳连结处刚度突变所造成的引力集中的影响，对机组的抗震也较为有利。

但此法使混凝土承担大部分内水压力，有可能引起混凝土过分开裂，对结构带来不利影响。

（2）蜗壳打压埋入法分析
蜗壳打压埋入法，是在浇筑蜗壳二期混凝土之前，将蜗壳充水加压，在金属蜗壳因内水压力而产生变形的前提下，进行浇筑，并在混凝土凝固后，撤去蜗壳中水压，利用钢蜗壳与混凝土之间的间隙调剂二者内水压力的分担比例。

在预充水压之下，压力由蜗壳承担，预充压力之上，压力由蜗壳及混凝土联合承担。

此法使混凝土与蜗壳承担内水压力比例明确，在一定程度上可以人为控制，有利于蜗壳强度的发挥，同时也可直接检查蜗壳的焊接质量。

不利之处在于需要加压及密封设施，需要一定的投入，对工期也有影响。

（3）垫层蜗壳埋入法分析
垫层蜗壳埋入法，是在蜗壳与外包混凝土之间设置垫层，通过垫层达到调节混凝土
与蜗壳之间荷载分配的目的。

以往的设计，基于垫层的设置使蜗壳承受全部内水压力，但进一步试验和分析计算表明垫层并不能阻止内水压力外传，垫层蜗壳仍是一种联合受力结构。

因此弹性垫层蜗壳的设计应当是在充分发挥蜗壳强度作用的前提下，通过选择适宜的垫层材料的弹模、厚度及铺设范围，从而合理确定混凝土承担的荷载，同时尽可能避免和减轻座环与蜗壳连结处刚度突变所造成的引力集中的影响。

某水电站总装机460 MW，单机容量115 MW，电站保证出力91.6 MW，机组
最小运行水头为86.3m，最大运行水头为138.5m，设计水头110m。

为新疆目前已建总装机及单机容量最大的水电站工程。

钢蜗壳的设计和加工由水轮机制造厂负责，并按承受包括水机压力升高值在内的全部内水压力设计，最大值为180m。

蜗壳平面尺寸为12.67×11.26m，进口直径4.6m，中心距4.6m（见附图1，Ⅰ-Ⅰ剖面）。

由于厂房的布置为一机一逢，布置的限制使蜗壳外包混凝土尺寸局部较薄，不宜承担较大的内水压力，同时也为了充分发挥蜗壳的强度，选定了垫层蜗壳的结构形式，蜗壳外围混凝土承受部分内水压力的布置方式。

为了选择适宜的垫层材料的弹模、厚度及铺设范围，合理确定混凝土承担的荷载，对蜗壳及外包混凝土进行了三维有限元分析。

（1）不同垫层弹模对承载比的影响，取垫层厚度5㎝，钢蜗壳上半圆与外包混凝土之间铺设垫层，即包角180°。

以蜗壳进口断面1断面为例，分别计算垫层弹模
E=2MPa、4MPa、6MPa、8MPa、10MPa时蜗壳结构各种材料在不同垫层弹模下的承载比，见表1及图1所示。

（2）不同厚度的垫层材料对蜗壳各组合结构承载比的影响，取垫层弹模为2MPa，钢蜗壳上半圆与外包混凝土之间铺设垫层，即包角180°。

以蜗壳进口断面1断面
为例，分别计算垫层厚°d=3cm、4cm、5cm时蜗壳结构各种材料在不同垫层厚
度时的承载比，如表2所示。

（3）不同包角的垫层对承载比的影响，取垫层弹模E=2MPa，垫层厚度d=5cm，以蜗壳进口断面1断面为例，分别计算以下各种情况:
a、钢蜗壳上半圆与外包混凝土之间铺设垫层，即包角180°。

b、钢蜗壳靠近上碟边处留出10°不铺设垫层，另一端垫层由180°再向下延伸10°。

c、钢蜗壳靠近上碟边处留出10°不铺设垫层，另一端垫层由180°再向下延伸20°。

d、钢蜗壳靠近上碟边处留出10°不铺设垫层，另一端垫层由180°再向下延伸30°。

各典型部位钢衬、钢筋的应力值,蜗壳顶部混凝土受力情况及整体混凝土的最大位
移等
1）垫层弹模由大到小变化过程中，钢衬和混凝土的承载比变化比较明显，计算分析中采用弹模由10Mpa减少到2Mpa，钢衬承载比提高12.7%，混凝土承载比降低11.1%，表明垫层弹模的改变对钢衬和混凝土的承载比一影响很大。

采用小的
垫层弹模可以充分发挥钢衬的承受内水压力的能力，减小传至外包混凝土的水压力的数值，减小混凝土的应力、减少配筋。

但弹模过小，初始应变难以控制，也难以保证设计弹模值。

②垫层厚度增加，钢衬承载比增加，混凝土承载比降低，但变化率小。

③在蜗壳靠近尚碟边处留出一定范围不敷设垫层，另一端向下延伸一定范围，对受力状态是有利的。

四种敷设方式中，在蜗壳靠近尚碟边处10°范围不敷设垫层，另一端由180°向下延伸30°敷设方式，混凝土顶部应力值最小，整体位移值也最小。

综上所述，考虑到本工程的实际情况，选定弹性垫层厚度d=5cm、弹性模量
E=2Ma、包角范围为上碟边处留出10°不铺设垫层，垫层另一端由180再向下延
伸30°，混凝土承载比为21.6%。

2）不是所有的工程都进行三维有限元计算分析，因此，通过本文及实例的论述，同时参考部分书籍、资料，选定比较合适的弹性垫层及其特征参数，选定比较合适
的承载比，对工程的结构设计有比较实际的意义。

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【相关文献】
[1]水电站厂房设计规范（SL266-2001）.北京：中国水利水电出版社，2001.
[2]顾鹏飞，喻光远著.水电站厂房设计.水利电力出版社.
[3]董毓新，李彦硕，著．水电站建筑物结构分析.大连：大连理工大学出版社，1995.
[4]马震岳，孙万泉．新疆某发电厂房及蜗壳结构三维计算分析.大连：大连理工大学土木水利学院，2002．。