水电站蜗壳垫层结构研究
大型水电站厂房弹性垫层蜗壳结构研究
Ｓ ＯＮＧ ｈ－ｉｇ Ｙａ ・ ｎ ｑ
（ ｅｏ ｉ ｒ ｏａｏａ ａｄＴｃｎ ａ ｓｔｅ Ｗ ｔ ｏ ｅ ａｃ ，Ｋ ｎ ，Ｈ ’ ＹｌｗＲｖ ｃｔｎｌ ｎ ｅ ｉ ｌｎ ｉｔ ｌ ｅＶ ｉ ｈ ｃ Ｉ ｔｕ ａ ｒ ｎ ｒ ｎｙ ａ ｇ ｅ ｅＣｓ ｖ
宋 艳 清
（ 河水 利职 业 技 术 学 院 ， 南 开 封 ４ 与 外 围混 凝 土之 间设 置 弹 性 垫 层 是 我 国 大 型 水 电 站 厂 房 常 采 用 的 一 种 结 构 型 式 ， 于 钢 鉴
弹性 垫层 的最优摩擦系数以及内水压力 向外 围混凝土传递机 理的不确定性 ， 应用 Ａ Ｓ Ｓ 限元程序对 ＮＹ 有 某大型水 电站垫层蜗壳进行钢衬 一钢筋混凝土结构三维非线 性有 限元 仿真研究 ， 考虑 钢蜗壳与外 围混 凝土之间 的滑移接触特性 ， 研究钢蜗壳与混凝 土之 间合理 的摩擦系数 ， 深入研究蜗壳各径 向断 面外 围混 凝 土应力 、 内水压力传递 比、 承载 比等关键 问题 ， 为大型水 电站厂房的设计研究 提供 可靠 的理论分析 。 关键 词 ： 水电站厂房 ；蜗壳 ； 弹性垫层 ； 仿真分析
ｔｅ ｉ ｔ ｄｅ ｈ ｍ ｓ ｓｕ ｉｄ．Ａｔｔ ｅ ｓｍｅ ｔ ａ ｉ ｈ ｍｅ，ｔ ｅ ｋ ｙ ｐ ｏ ｌｍｓ ｆｒｔｅ ｏ ｔｒｃ ｎ ｒ ｔ ｏｕ ｅ Ｓｒ ｓ ｄ ｔ ｅ ｔａ ｓｅ ａｉ ｆｗａｅ ｈ ｅ ｒ ｂｅ ｏ ｈ ｕ ｅ ｏ ｃ ｅｅ ｖ ｌ ｔ ｔ ｓ ａ ｈ ｒｎ ｆｒ ｒｔ ｏ ｔｒ ｅ ｎ ｏ ｐ ｓ ｕｅ ａ ｄ ｂ ａｉｇ ｒｔ ｒ ｓ ｔｄｅ ｅ ｐ ｙ ｅ ｒ ｓ ｒ ｅ ｒｎ ａｉ ａｅ ａ ｏ ｓｕ ｉｄ ｄ ｅ ｌ ．Ａｌ ｔｅ ｅ ａ ｎ ｉｎ ｄ ａ ｏ ｅ ｃ ｕｄ ｐ ｏ ｉｅ ｒｌａ ｌ ｄ ｔ ｅ ｒ ｔ ａ ｎ ｏ ｌ ｌ ｈ ｓ ｓ ｍｅ ｔ ｅ ｂ ｖ ｏ ｌ ｒ ｖｄ ｉ ｅ ａ ｏｅｉｌ ｏ ｅ ｂ ｎ ｈ ｃ ｎ ｌ ｓｓ ｆｒｔｅ ｄ ｓｇ ｆｌ ｇ —ｃ ｌ ｙ ｍｐ ｗｅ ｌｎｓ ａ ａｙ ｉ ｏ ｈ ｅ ｉｎ ｏ ｒｅ ｓ ａｅ ｈ ｄ ｏ ｒｐａ ｔ． ａ Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ ｓ：ｈ ｄ ｏ ｗｅ ａ ｉ ｎｇ；ｓ ｉａ ａ ｅ；ｅａ ｔｃ ｃ ｓ ｉｎ ａ ｅ ｙ ｒ ｐｏ ｒｐｌｎｔｂｕ ｌ ｄｉ ｐ ｒ ｌｃ ｓ ｌｓ ｕ ｈ ｏ ｌｙ ｒ；ｓｍｕｌｔｏ ａ ａｙ ｉ ｉ ｉ ａｉ ｎ ｎ ｌｓｓ
水电站蜗壳结构局部垫层平面设置范围探讨
水电站蜗壳结构局部垫层平面设置范围探讨孙海清;伍鹤皋;李杰;赵晓峰【期刊名称】《四川大学学报（工程科学版）》【年(卷),期】2011(043)002【摘要】为分析水电站蜗壳结构中局部垫层的平面设置范围,采用ABAQUS软件对一水电站蜗壳结构进行了3维非线性有限元计算.研究结果表明:蜗壳结构中局部垫层平面范围分别自蜗壳直管段进口铺至下游45°、90°和135°断面时,垫层铺设范围越大,改善蜗壳外围混凝土结构受力状况的效果越显著,但垫层铺至45°断面时完全能有效限制混凝土裂缝宽度的开展和减小机墩不均匀上抬位移.此外,垫层平面范围铺至45°断面时,座环所承受剪力相比完伞直埋方案增幅最小,有利于结构稳定.鉴于以上分析,且从简化施工程序角度考虑,水电站蜗壳结构中局部垫层平面范围铺至45°断面是值得推荐的.【总页数】6页(P39-44)【作者】孙海清;伍鹤皋;李杰;赵晓峰【作者单位】武汉大学,水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北,武汉,430072;武汉大学,水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北,武汉,430072;中国水电顾问集团,成都勘测设汁研究院,四川,成都,610072;中国水电顾问集团,成都勘测设汁研究院,四川,成都,610072【正文语种】中文【中图分类】TV731【相关文献】1.某水电站垫层蜗壳平面铺设范围的影响研究 [J], 匡会健2.垫层铺设范围对水电站蜗壳结构特性的影响分析 [J], 彭越尧;黄鹏;胡馨之3.基于欧洲标准的水电站垫层蜗壳结构三维有限元分析 [J], 吕文龙;王树平;赵群章4.某水电站垫层蜗壳结构受力特性研究 [J], 刘明华; 洪佳敏; 倪绍虎; 吕慷; 郑海圣5.白鹤滩水电站垫层蜗壳结构设计 [J], 陈鹏;伍鹤皋;方丹;万祥兵因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
垫层埋入法蜗壳结构设计的统计分析与研究
㊀收稿日期：２０１９－０１－１０㊀作者简介：王家明（１９８８ ），男，陕西西安人，工程师，硕士，研究方向为水工结构㊀Ｅ⁃ｍａｉｌ：８４２８５６３４２＠ｑｑ．ｃｏｍʌ工程勘测设计ɔ垫层埋入法蜗壳结构设计的统计分析与研究王家明１，马㊀青２（１．陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西西安７１０１００；２．中国电建集团贵阳勘测设计研究院，贵州贵阳５５００８１）摘㊀要：为了进一步对垫层埋入法蜗壳结构埋设方式进行总结提炼，对国内采用垫层埋入法的水电站进行了统计和分析，系统阐明了垫层埋入法的应用发展，指出了在高水头㊁大尺寸蜗壳结构上垫层埋入法的普遍适用性，总结了具有广泛应用性的垫层参数取值范围，即垫层厚度取２０ ３０ｍｍ，垫层弹性模量取１．５ ３．６ＭＰａ，垫层平面布置从蜗壳进口起始铺至转角２７０ʎ，垫层立面布置上至机坑里衬１．２５ ２．５０ｍ㊁下至腰线以下１０ʎ ３０ʎ㊂关键词：垫层埋入法；发展；垫层参数；结构设计；有限元中图分类号：ＴＶ７３１；ＴＶ７４１㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２１．０１．０２６㊀引用格式：王家明，马青．垫层埋入法蜗壳结构设计的统计分析与研究［Ｊ］．人民黄河，２０２１，４３（１）：１３３－１３６．ＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＤｅｓｉｇｎｏｆＳｐｉｒａｌＣａｓｅｗｉｔｈＣｕｓｈｉｏｎＥｍｂｅｄｄｉｎｇＭｅｔｈｏｄＷＡＮＧＪｉａｍｉｎｇ１，ＭＡＱｉｎｇ２（１．Ｈａｎｊｉａｎｇ⁃ｔｏ⁃ＷｅｉｈｅＲｉｖｅｒＶａｌｌｅｙＷａｔｅｒＤｉｖｅｒｓｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ ａｎ７１０１００，Ｃｈｉｎａ；２．ＰｏｗｅｒＣｈｉｎａＧｕｉｙａｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５００８１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｕｍｕｐａｎｄｒｅｆｉｎｅｆｕｒｔｈｅｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｐｉｒａｌｃａｓｅｂｙｃｕｓｈｉｏｎｅｍｂｅｄｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓｐａ⁃ｐｅｒｍａｄｅａｌｏｔｏｆｓｔａｔｉｓｔｉｃｓａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｗｉｔｈｃｕｓｈｉｏｎｅｍｂｅｄｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｎＣｈｉｎａ．Ｉｔｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｕｓｈｉｏｎｅｍｂｅｄｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈｅｕｎｉｖｅｒｓａｌａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｕｓｈｉｏｎｅｍｂｅｄｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｎｈｉｇｈｈｅａｄａｎｄｌａｒｇｅｓｉｚｅｏｆｓｐｉ⁃ｒａｌｃａｓｅ．Ｉｔｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｕｓｈｉｏｎｌａｙｅｒｓｗｈｉｃｈｗｅｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ２０ｔｏ３０ｍｍｔｈｉｃｋ，１．５ｔｏ３．６ＭＰａｅｌａｓ⁃ｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓ，ｆｒｏｍｓｐｉｒａｌｃａｓｅｉｎｌｅｔｔｏ２７０ʎｓｅｃｔｉｏｎｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｅｃｔｉｏｎｌａｙｉｎｇｓｃｏｐｅａｎｄｂｅｇｉｎｎｉｎｇｆｒｏｍ１．２５ｔｏ２．５０ｍｏｆｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｃｕｓｈｉｏｎａｎｄｐｉｔｌｉｎｉｎｇａｎｄｄｏｗｎｔｏ１０ʎｔｏ３０ʎｂｅｌｏｗｔｈｅｗａｉｓｔｌｉｎｅｏｆｖｅｒｔｉｃａｌｓｅｃｔｉｏｎｌａｙｉｎｇｓｃｏｐｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｕｓｈｉｏｎｅｍｂｅｄｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；ｃｕｓｈｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ㊀㊀蜗壳是水电站厂房重要的过流部件，其结构形式复杂，直接影响着水电站的安全稳定运行㊂蜗壳的埋设方式多样［１］，不同的蜗壳埋设方式，金属蜗壳和外围混凝土均表现出不同的受力状态㊂国内学者曾对蜗壳埋设方式进行过大量研究，并对比了不同埋设方式的结构受力特性［２－６］㊂垫层埋入法蜗壳埋设方式是在蜗壳与外围混凝土之间铺设一层弹性垫层，这种工艺可以有效降低蜗壳外围混凝土的受力，发挥金属蜗壳钢板强度优势［７－８］，但其垫层参数多㊁垫层末端易产生应力集中且易老化㊂张启灵等［９］对垫层埋入法蜗壳结构进行了系统研究和介绍㊂付红霞等［７－８，１０］对垫层材料㊁厚度㊁铺设范围等垫层参数进行了敏感性分析，得出了蜗壳及外围混凝土在垫层参数变化情况下的应力变化规律㊂樊熠玮等［１１－１３］在蜗壳结构设计时引入三维有限元法对金属蜗壳及外围混凝土的受力特性进行了仿真模拟，并进行了配筋计算㊂国内学者对垫层埋入法蜗壳结构研究较为深入，但系统性总结不多，鉴于此，有必要对垫层埋入法的发展㊁垫层设计参数及外围混凝土结构设计进行系统总结㊂１㊀垫层埋入法的发展统计与分析笔者搜集了国内１７座采用垫层埋入法埋设蜗壳结构的水电站资料，对该法的应用情况进行了统计，见表１㊂垫层埋入法应用起步阶段，国内建设的新安江㊁刘家峡和碧口水电站采用了垫层蜗壳，但出现了一些问题㊂以碧口水电站为例，在蜗壳和外围混凝土的原型观测中发现，设置垫层导致蜗壳顶部在内水压力下发生屈服［１４］㊂可见，工程人员对垫层下的蜗壳及外围混凝土的内水压力分配作用认识还不深入，只是单纯发挥其减力作用㊂随着有限元计算的发展和工程经验的积累，工程人员对垫层埋入法蜗壳和外围混凝土的受㊃３３１㊃第４３卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀人㊀民㊀黄㊀河㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．１㊀㊀２０２１年１月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＹＥＬＬＯＷ㊀ＲＩＶＥＲ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｊａｎ．，２０２１㊀㊀力特点㊁运行机理的认识逐渐深入［９］，这一点从工程实际应用情况上就能看出，即在单机容量４万 １００万ｋＷ的水电站中垫层埋入法得到了广泛采用㊂表１㊀采用垫层埋入法的应用情况统计电站名称开工年份单机容量／万ｋＷ新安江１９５７７．２５刘家峡１９５８２２．５碧口１９６９１０凤滩１９７０１０龙羊峡１９７６３２小浪底１９９１３０岩滩１９９２３０三峡１９９４７０李家峡１９９７４０龙滩２００１７０戈兰滩２００３１５董箐２００５２２拉西瓦２００６７０向家坝２００６８０溪洛渡２００７７７白鹤滩２０１３１００㊀㊀同时，笔者对２０００年以来开工建设的装机２００万ｋＷ以上的１６座水电站的蜗壳埋设方式进行了统计，见表２㊂表２㊀蜗壳埋设方式统计电站名称装机容量／万ｋＷ直埋法充水保压埋入法垫层埋入法官地２４０ɿ梨园２４０ɿ金安桥２４０ɿ大岗山２６０ɿ长河坝２６０ɿ构皮滩３００ɿ锦屏一级３６０ɿ瀑布沟４２６ɿ拉西瓦４２０ɿ小湾４２０ɿ锦屏二级３６０ɿ糯扎渡５８５ɿ龙滩６３０ɿ向家坝７７５ɿ白鹤滩１２５０ɿ溪洛渡１３８６ɿ㊀㊀由表２可知，垫层埋入法和充水保压埋入法两种蜗壳埋设方式在国内应用较为广泛㊂装机容量超过５００万ｋＷ的水电站中，采用垫层埋入法的水电站较多，尤其近年来国内建设的巨型电站，如最大水头为２８７ｍ㊁蜗壳进口直径为７．２ｍ的溪洛渡水电站，最大水头为３４０ｍ㊁蜗壳进口直径为８．６ｍ的白鹤滩水电站等均采用了垫层埋入法㊂可见，这种埋设方法已成为目前国内大型㊁巨型电站的首选方法㊂２㊀垫层设计参数的统计与分析２．１㊀垫层材料统计与分析笔者对国内１３座采用垫层埋入法的水电站中埋设蜗壳结构的垫层材料进行了统计，见表３㊂表３㊀垫层材料统计电站名称开工年份聚氨酯软木聚乙烯闭孔泡沫板聚苯乙烯泡沫板油毡锯末㊁沥青㊁焦油软木聚苯乙烯㊁沥青㊁油毡新安江１９５７ɿ刘家峡１９５８ɿ龙羊峡１９７６ɿ小浪底１９９１ɿ岩滩１９９２ɿ三峡１９９４ɿ李家峡１９９７ɿ龙滩２００１ɿ戈兰滩２００３ɿ董箐２００５ɿ拉西瓦２００６ɿ果多２０１２ɿ白鹤滩２０１３ɿ㊀㊀可见，起初工程人员使用的垫层材料较多且杂，随着材料科学的发展，易老化的材料逐渐被淘汰，聚乙烯闭孔泡沫板（ＰＥ板）和聚氨酯软木（ＰＵ板）逐渐受到青睐并得到广泛应用㊂而研究成果表明［１５］，聚氨酯软木在力学性质㊁材料老化后性能㊁工程造价及施工难度等方面均表现出比其他材料更为良好的性能㊂２．２㊀垫层厚度与弹性模量统计与分析笔者搜集了采用ＰＥ板和ＰＵ板的水电站资料，对垫层厚度和弹性模量进行了统计分析㊂数据显示，垫层厚度的取值范围为２０ ３０ｍｍ，垫层弹性模量的取值范围为１．５ ３．６ＭＰａ㊂笔者通过有限元法对垫层厚度和弹性模量进行了敏感性分析，计算结果表明，垫层厚度越厚㊁垫层弹性模量越小，对提高金属蜗壳分担内水压力比例㊁改善外围混凝土受力状态有一定帮助，但当垫层厚度以１ｃｍ或弹性模量以１ＭＰａ为单位变动时，金属蜗壳和外围混凝土的应力改变微小㊂一些学者也得到了同样的结论［７－８］㊂２．３㊀垫层空间铺设范围统计与分析笔者对垫层空间铺设范围进行了统计分析，结果表明，平面铺设范围一般为从蜗壳进口段至蜗壳转角１３５ʎ ２８０ʎ之间，绝大多数都采用传统垫层范围，即铺至转角２７０ʎ；立面铺设范围为蜗壳上半圆，上端始于距机坑里衬（座环）１．２５ ２．５ｍ处，下端至腰线（安装高程）以下０ʎ ３０ʎ处㊂对于垫层平面铺设范围，有限元计算表明［１６－１７］，随着垫层平面铺设范围的增大，钢筋应力显著降低，混凝土损伤范围逐渐减少，但易导致座环的剪切变形增大㊂目前科研人员对于垫层平面的铺设范围未有定论，工程上依然较多地采用传统铺设范围㊂㊃４３１㊃对于立面铺设范围，有限元计算表明［７］，垫层铺设范围越广，金属蜗壳应力越大，外围混凝土应力越小㊂但对实际工程进行统计发现，垫层上端与基坑里衬的距离并不是越小越好，而是与蜗壳半径有线性相关性㊂对于不同尺寸的同一位置的蜗壳立面而言，蜗壳立面半径越大，垫层上端与机坑里衬的距离越大㊂以蜗壳进口段为例，统计分析见图１（Ｒ２为确定系数）㊂图１㊀蜗壳进口段直径与垫层上端铺设起点统计分析实际上，座环与金属蜗壳是焊接在一起的，导致该处容易产生应力集中，如果继续在该处铺设垫层，会增加金属蜗壳承担内水压力的比例，对结构受力不利㊂因此，铺设垫层时其上端与机坑里衬之间需要留出一定的安全距离㊂另外，对于垫层末端的铺设范围，有限元研究表明［７－８］，垫层范围铺至腰线处，易产生应力集中现象，因此垫层范围应适当延伸至腰线下的１０ʎ ３０ʎ，这样做对改善腰线附近的混凝土受力有帮助㊂３㊀垫层埋入法外围混凝土结构设计研究３．１㊀外围混凝土结构设计方法探讨目前，国内工程人员在蜗壳外围混凝土结构设计时主要采用平面框架简化算法和三维有限元法㊂（１）平面框架简化算法㊂假定垫层将蜗壳和外围混凝土完全分离，蜗壳外围混凝土结构只承受结构自重和上部结构传来的荷载，内水压力全部由蜗壳承担㊂将外围混凝土蜗壳结构简化为平面框架，即沿蜗壳水流方向切取单宽的等截面Г形钢架（见图２），计算时不考虑钢架之间的约束作用㊂利用结构力学方法计算结构内力后再进行配筋计算和抗裂计算㊂（２）三维有限元法㊂将金属蜗壳㊁外围混凝土㊁垫层作为整体模型来考虑（见图３），通过施加外部荷载计算顶板和边墙的最大拉应力，利用‘水工混凝土结构设计规范“［１８］中的拉应力图形法进行配筋计算㊂然图２㊀蜗壳外围混凝土等截面Г形钢架后根据配筋结果进行建模，将金属蜗壳㊁外围混凝土㊁垫层和钢筋作为整体模型进行非线性复核计算，通过调整垫层参数，将金属蜗壳㊁外围混凝土及钢筋应力的受力状态调至最合理状态㊂图３㊀三维有限元模型目前，工程人员仍然较多采用第一种方法进行蜗壳外围混凝土的结构设计，而第二种方法只是进行复核验证㊂毫无疑问，第一种设计方法是安全的，但其未考虑结构的整体作用，往往配筋较多，钢筋承受应力小［８］，不能充分发挥作用，另外这种方法没有蜗壳外围混凝土沿水流方向配筋的设计依据㊂而第二种方法将４种材料全部考虑在内，即４种材料联合承载，并通过垫层参数的改变来控制金属蜗壳和混凝土承担内水压力的比例，充分发挥金属蜗壳的强度储备，降低了钢筋的配筋率［１１］㊂因此，利用第二种方法指导蜗壳外围混凝土结构设计十分必要㊂３．２㊀钢筋布置统计与分析蜗壳外围混凝土的钢筋布置一般分为环向钢筋和水流方向钢筋，其中：环向钢筋是蜗壳立面围绕蜗壳布置的钢筋，为受力钢筋；沿蜗壳内水流方向布置的钢筋为构造钢筋㊂笔者统计了蜗壳进口段直径大于６ｍ的蜗壳外围混凝土配筋结果，数据表明，环向钢筋较多采用双层钢筋，钢筋直径在３２ ３６ｍｍ之间，钢筋间距为２００ｍｍ，单位宽度下配筋面积主要分布在９６５０ １８３２１ｍｍ２之间，见表４㊂另外，笔者查阅了国内采用垫层埋入法的４座水电站（董箐㊁龙羊峡㊁龙滩和碧口）的蜗壳钢筋应力实㊃５３１㊃测资料，发现蜗壳周围环向钢筋最大应力［１９－２０］（分别为３９．８㊁２７．９㊁１９．４㊁２０．０ＭＰａ）均不超过其屈服强度的１０％，说明材料强度有很大富裕空间，钢筋使用严重浪费㊂表４㊀蜗壳外围混凝土环向单位宽度配筋面积统计电站名称蜗壳进口段直径／ｍ最大配筋面积／ｍｍ２最大钢筋直径／ｍｍ钢筋间距／ｃｍ钢筋层数备注拉西瓦６．８９６５０３２２０２溪洛渡７．２１８３２１３６２０２局部加强李家峡８．０１３３４５３２２０３白鹤滩８．６１８３２１３６２０３龙滩８．７１２２１４３６２０２黄金坪９．２４８２５３２２０１岩滩１０．８１２２１４３２２０２三峡１２．４１４２５０３６１５２局部加强４㊀结㊀论通过对国内采用垫层埋入法埋设蜗壳的水电站资料进行统计和分析，得出了以下结论：（１）垫层埋入法已得到广泛采用，且已应用在高水头㊁大尺寸蜗壳结构上㊂（２）垫层材料主要采用聚乙烯闭孔泡沫板和聚氨酯软木两种，且后者具有更好的材料性能㊂（３）总结了目前较为普遍的垫层设计参数㊂垫层厚度一般取２０ ３０ｍｍ，垫层弹性模量取１．５ ３．６ＭＰａ，垫层平面布置铺至转角２７０ʎ㊂垫层立面布置中，上端始于距机坑里衬１．２５ ２．５０ｍ处，下端至腰线以下１０ʎ ３０ʎ处㊂对于不同尺寸的同一位置的蜗壳立面而言，蜗壳立面半径越大，垫层上端与机坑里衬的距离越大㊂（４）按照目前外围混凝土结构设计方法进行配筋，实际钢筋应力均不超过其屈服强度的１０％，说明材料强度有很大富裕空间㊂采用三维有限元法进行蜗壳外围混凝土结构设计可以有效发挥金属蜗壳的强度储备，降低钢筋的配筋率㊂参考文献：［１］㊀国家能源局．水电站厂房设计规范：ＮＢ／Ｔ３５０１１ ２０１６［Ｓ］．北京：中国电力出版社，２０１７：３３．［２］㊀阳芳，伍鹤皋．大型水轮机蜗壳结构动静力分析［Ｊ］．武汉大学学报（工学版），２００４（５）：４６－４９．［３］㊀秦亮，练继建，郑伟．大型水电站厂房蜗壳结构形式研究［Ｊ］．中国农村水利水电，２００６（１）：７０－７２．［４］㊀陈婧，张云良，马震岳，等．不同埋设方式下巨型水轮机蜗壳结构动力特性研究［Ｊ］．大连理工大学学报，２００７（７）：５９３－５９７．［５］㊀张启灵，伍鹤皋，黄小艳，等．大型水电站不同埋设方式蜗壳结构分析［Ｊ］．水力发电学报，２００９，２８（３）：８５－８９．［６］㊀欧阳金惠，陈厚群，张超然．大型水电站蜗壳埋设方式对厂房振动的影响分析［Ｊ］．水力发电学报，２０１２，３１（４）：１６２－１６６．［７］㊀付红霞，马震岳，董毓新．水电站蜗壳垫层结构研究［Ｊ］．水利学报，２００３，３４（６）：８５－８８．［８］㊀徐芬，伍鹤皋，张启灵．水轮机蜗壳垫层参数分析［Ｊ］．湖北水力发电，２００９（４）：３－７．［９］㊀张启灵，伍鹤皋．水电站垫层蜗壳结构研究和应用的现状和发展［Ｊ］．水利学报，２０１２，４３（７）：８６９－８７５．［１０］㊀陈婧，姚锋娟，马震岳．垫层对厂房结构动力特性的影响［Ｊ］．水电能源科学，２０１０，２８（４）：８６－８９．［１１］㊀樊熠玮，张恩宝．黄金坪水电站蜗壳与弹性垫层结构研究［Ｊ］．水力发电，２０１６，４２（３）：３９－４３．［１２］㊀严成斌，雷声军，金健，等．水电站混凝土蜗壳结构不同计算方法对比分析［Ｊ］．四川水利，２０１７（５）：１００－１０２．［１３］㊀陈鹏，伍鹤皋，方丹，等．白鹤滩水电站垫层蜗壳结构设计［Ｊ］．中国农村水利水电，２０１８（３）：１６１－１６５．［１４］㊀黄家然．碧口水电站厂房钢蜗壳和外围混凝土结构实测应力状态分析［Ｊ］．西北水电技术，１９８２（００）：５８－６３．［１５］㊀甘启蒙．聚氨酯软木垫层材料在水电站的应用［Ｊ］．水力发电，２００８，３４（１２）：１０７－１０９．［１６］㊀刘波，伍鹤皋，薛鹏，等．垫层铺设范围对水电站蜗壳受力特性的影响［Ｊ］．华中科技大学学报（自然科学版），２０１０，３８（９）：１２０－１２４．［１７］㊀孙海清，伍鹤皋，李杰，等．水电站蜗壳结构局部垫层平面设置范围探讨［Ｊ］．四川大学学报（工程科学版），２０１１，４３（２）：３９－４３．［１８］㊀国家能源局．水工混凝土结构设计规范：ＤＬ／Ｔ５０５７ ２００９［Ｓ］．北京：中国电力出版社，２００９：２２１－２２２．［１９］㊀中国电建集团贵阳勘测设计研究院．董箐水电站２０１３年监测资料整编报告［Ｒ］．贵阳：中国电建集团贵阳勘测设计研究院，２０１３：８０－８１．［２０］㊀伍鹤皋，马善定，秦继章．大型水电站蜗壳结构设计理论与工程实践［Ｍ］．北京：科学出版社，２００９：３０４－３２８．ʌ责任编辑㊀张华岩ɔ㊃６３１㊃。
某水电站垫层蜗壳结构静力受力特性分析
某水电站垫层蜗壳结构静力受力特性分析摘要：通过利用ANSYS结构分析程序研究某水电机组垫层蜗壳结构在静力荷载作用下的受力特性，对蜗壳结构应力和位移的计算分析，得出蜗壳结构在不同的垫层弹性模量和不同的垫层包角情况下的应力和位移变化规律。
设置垫层处的钢衬可以有较大的变形空间，所以可以承担更大的水压力，以减少蜗壳外围混凝土承担的水压力，减小混凝土开裂，有效发挥钢衬的抗拉作用。
仅供工程设计参考。
关键词：蜗壳；垫层；静力荷载；钢衬引言目前，国内外大型水电站钢蜗壳结构设计形式主要有三种[1]：（1）钢蜗壳外直接浇筑混凝土，既不设垫层也不充水预压；（2）钢蜗壳在充水预压状态下浇筑外围混凝土；（3）钢蜗壳上部一定范围内铺设垫层后浇筑外围混凝土。
我国已建、在建和设计中的水电站蜗壳，许多采用了第三种结构形式。
这种形式的优点在于，可以减少钢蜗壳向外围钢筋混凝土结构传递的内水压力，充分发挥钢衬的承载力，改善蜗壳外围混凝土的应力状态，提高其抗裂安全度。
本文利用ANSYS结构分析程序对水电站蜗壳进行整体静力有限元分析，研究在静力荷载作用下蜗壳结构的受力特性，通过对蜗壳结构应力和位移的计算分析，得出蜗壳结构在不同的垫层弹性模量和不同的垫层包角情况下的应力和位移变化规律。
当蜗壳结构设有垫层时，设置垫层处的钢衬可以有较大的变形空间，所以可以承担更大的水压力，以减少蜗壳外围混凝土承担的水压力，可以减小混凝土开裂，有效发挥钢衬的抗拉作用。
1.基本资料1.1工程概况某工程水电站最大坝高250m，坝顶中心长度459.64m。
水库正常蓄位为▽2452m，死水位▽2440m，总库容10.79×108m3，调节库容1.5×108m3。
电站总装机容量4200MW（6×700MW），保证出力990MW，额定发电水头205m，多年平均发电量102.23×108kW?h。
水电站厂房钢蜗壳进口直径R=6.42m，其圆距机组中心线8.6m，钢板厚6cm；座环上下环板厚20cm。
水电站厂房蜗壳结构静动力分析
水电站厂房蜗壳结构静动力分析随着科技的不断进步，水电站建设已经成为国家重点发展的产业之一。
在水电站的建设中，厂房的蜗壳结构静动力分析是一项非常重要的工作，对于水电站的运行和安全具有非常重要的意义。
本文就水电站厂房蜗壳结构静动力分析进行详细的介绍。
1.蜗壳结构的组成水电站厂房的蜗壳结构由壳体、支撑、轴承和润滑系统组成。
其中，壳体是由一系列弯曲的叶片组成的，支撑用以支持转子的重量，轴承用于支持转轴，润滑系统则是为了减少摩擦力和摩擦热。
2.厂房蜗壳结构的静力分析静力分析是水电站厂房蜗壳结构设计的重要环节。
在静力分析中需要考虑的因素包括扭矩、力矩、剪力和弯矩等。
静力分析的目的是确定蜗壳结构在正常工作情况下的状态，以及蜗壳受到外力或内力时的变形范围、承载能力和破坏条件。
3.厂房蜗壳结构的动力分析除了静力分析之外，水电站厂房蜗壳结构还需要进行动力分析。
与静力分析不同的是，动力分析必须考虑蜗壳结构动态载荷和蜗壳结构的固有频率。
在动力分析中，需要确定蜗壳结构的共振频率，以及在这个频率或其附近出现的共振现象。
此外，还需要考虑蜗壳结构受到工作液体流动的影响，因为流体流动会引起厂房的振动和噪音。
4.厂房蜗壳结构分析的方法在水电站厂房蜗壳结构静动力分析过程中，需要使用一些特定的软件和工具。
静力分析可以使用有限元分析软件进行模拟计算。
动力分析则需要使用计算流体力学软件进行计算，并结合实验数据进行分析。
此外，在实际建设过程中，还需要进行一些结构测试，以确保厂房中的蜗壳结构的强度和稳定性。
5.总结在水电站建设中，厂房蜗壳结构静动力分析是非常重要的一项工作。
静力分析旨在确定蜗壳结构在正常工作情况下的状态，动力分析则需要考虑蜗壳结构动态载荷和流体流动对蜗壳结构的影响。
建设者可以使用有限元分析软件和计算流体力学软件进行分析和计算，结合实验数据进行优化。
通过分析蜗壳结构的强度和稳定性，可以确保水电站的运行和安全。
水电站垫层蜗壳结构应力及配筋分析
对接 触 面薄层 单元 上 高斯 点进 行接 触 状态 判 断 ， 当单元 中高斯 点处 于接 触状 态 时 ， 只考 虑相 应 法 向 刚
度， 切 向刚度取 为零 ； 而当该 高斯点 处 于张 开状 态 时 ，
整体 劲度 矩 阵赋 为零 ． 具 体程 序 实 现 中 ， 为 了记 录 每
Ｓｔ ｒ ｅ ｓ ｓ Ａｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｓ ｐ ｉ ｒ ａ ｌ Ｃａ ｓ ｅ ｗｉ ｔ ｈ Ｃｕ ｓ ｈ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ Ｈｙ ｄ ｒ ｏ ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｉ ｔ ｓ Ｒｅ ｉ ｎｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ
界面模 型对 蜗壳 与混 凝 土及 垫层 之 间 的 法 向接 触 和
切 向粘 结 滑移 进 行 模 拟 ， 武汉 大 学 伍 鹤 皋 等 人［ １ 妇采 用点 点接触 单元 在 不 考 虑摩 擦 力 的作 用 下模 拟 了钢
蜗壳 与外 围混凝 土 的接触 关系 ， 对 于蜗壳 与混 凝 土及 垫层 之 间的接 触 摩擦 效 应 的 模 拟虽 然 得 到 学术 界 的
Ｄｅ ｓ ｉ ｇｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏｆ Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｒｅ ｓ ｏ ｕｒ ｃ ｅ ｓ Ｃｏ．，Ｌｔ ｄ ．，Ｙａ ｎｇ ｚ ｈｏ ｕ ２ ２５ ０ ０ ９，Ｃｈｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｃｏ ｍｂ ｉ ｎ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ａ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｔ ｈ ｉ ｓ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｆ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ —
水电站厂房蜗壳结构设计分析一体化研究
图 １ 参数化蜗壳模型
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图 ２ 主要技术路线
２．１ ＣＡＴＩＡ程序开发 ＣＡＴＩＡ二次开发采用 ＣＡＡ（ＣｏｍｐｏｎｅｎｔＡｐｐｌｉｃａ
１ 蜗壳结构型式
水电站厂房常见蜗壳结构型式主要包括充水保 压蜗壳、垫层蜗壳和直埋蜗壳。这三种蜗壳结构形 式在其金属蜗壳几何体型上是相似的，但是在结构 受力特点上是不一样的。本文主要是研究这三种蜗 壳型式的一体化并进行程序开发。
垫层蜗壳是在金属蜗壳外表面部分敷设弹性垫
层材料，从而减小运行时钢蜗壳向外包钢筋混凝土 传递的荷载。充水保压蜗壳是在施工时采取措施， 临时封闭蜗壳的进口和出口，向蜗壳内充水加压，然 后浇筑外包混凝土，在外包混凝土达到设计强度后 才卸掉蜗壳内加压的水，使蜗壳上部与外围混凝土 之间形成间隙。在运行时，当蜗壳受内水压力变形 使间隙闭合后，外包混凝土才承受蜗壳传递过来的 荷载，从而达到减小外包混凝土所承担荷载的目的。 直埋蜗壳由金属蜗壳和外围混凝土直接联合作用共 同承受全部内水压力，直埋蜗壳施工工艺相对简单， 但是外包混凝土承担的荷载比另外两种蜗壳结构型 式大。
不论是哪一种蜗壳结构，其三维建模核心主要 是金属蜗壳模型，蜗壳三维模型创建主要根据蜗壳 的单线图数据创建，在 ＣＡＴＩＡ中可以直接关联 ＥＸ ＣＥＬ表格创建参数，建立参数化的蜗壳结构模型，不 同的 蜗 壳 模 型 只 需 要 改 变 ＥＸＣＥＬ数 据 即 可，见 图 １。
大型水电站充水预压蜗壳结构优化分析
大型水电站充水预压蜗壳结构优化分析研究李文富1李文逸2霍红11、概述随着国内外大型常规电站和抽水蓄能电站的兴建，蜗壳的HD（H是指蜗壳承受的压力，D是指蜗壳进口断面的直径）值急剧增长，蜗壳日趋向巨型和超巨型化发展。
单机容量的增加虽然降低了水轮机的成本，但随之引起了一系列问题。
仅就高水头、大容量混流式水轮机蜗壳结构而言，其总重量达数百吨，钢板厚度超过了60mm以上，致使蜗壳结构在设计、制造、成型、安装等方面出现了一系列难以解决的问题。
联合承载结构可充分发挥外围钢筋混凝土的潜力，达到减薄钢板厚度、改善蜗壳应力状态的目的，收到安全和经济的双重效果。
因此，联合承载结构是发展高水头、大容量混流式水轮机组蜗壳结构设计的一种新途径。
在建设单机容量700MW左右的电站中，根据国内外工程经验，大都采用充水预压或直接浇筑钢蜗壳外围混凝土的蜗壳结构形式，而且尤以充水预压方式为主。
充水预压蜗壳即钢蜗壳在充水预压状态下浇筑外包混凝土形成的联合承载结构，其结构特点就是在钢蜗壳内加一定水压后浇筑外围混凝土，混凝土凝固过程中保持这一水压力，由于充水预压，钢蜗壳发生了弹性膨胀，待混凝土凝固后，钢蜗壳中的水压撤去，钢蜗壳则恢复到初始形状，这样就在钢蜗壳与外围混凝土之间产生了预压缝隙。
因此，电站正常运行后，当蜗壳内水压力低于埋置钢蜗壳时预加的水压时，钢蜗壳与外围混凝土未接触，内水压力全部由蜗壳钢衬承担，而当蜗壳内水压力高于埋置钢蜗壳时预加的水压时，钢蜗壳与外围混凝土相接触，高出的那部分水压由蜗壳钢衬和外围混凝土共同承担；其运行特点在于，机组运行时，钢蜗壳能紧贴外围混凝土，使得座环、蜗壳和外围大体积混凝土结合成整体，增加了机组的刚性，能避免钢蜗壳在运行时承受动水压力的交变载荷和因此产生的变形，增加了混凝土的抗疲劳性能；同时，依靠外围混凝土减少蜗壳及座环的扭曲变形，从而减少机组振动和变形，有利于机组的稳定运行。
因此，这种结构形式在大型水电站机组和抽水蓄能电站机组中得到了广泛的应用。
浅谈水电站厂房蜗壳结构静动力
浅谈水电站厂房蜗壳结构静动力随着社会经济的快速发展，电力资源越来越紧缺，一大批水电工程开始陆续建立起来，水电开发不仅为工业和农业生产提供了能源，同时因为燃煤带来的污染等相关问题也得到了缓解，还大大促进了旅游、航运以及水产等相关项目的发展，在水利枢纽中水电站厂房是非常重要的组成部分之一，因此其安全性问题逐渐引起了人们的重视。
1蜗壳结构的埋设方式蜗壳结构在计算过程中往往要与某种蜗壳埋设方式相结合，现阶段我国主要采用的结构形式有三种：第一，将软垫层铺设在钢蜗壳外上部的相应范围内，然后将其外围浇筑混凝土，形成垫层蜗壳；第二，在充水保压的状态下，钢蜗壳外围浇筑了一层混凝土之后形成保压蜗壳；第三，直接将混凝土浇筑在刚蜗壳上，不设置垫层或者充水保压，混凝土和蜗壳共同承载，这样就形成了直埋蜗壳。
通过对国内外大量工程实践的总结分析可以看出，以上三种蜗壳结构形式各有优缺点，目前都有广泛的应用。
笔者认为，充分借助有限元等现代数值分析法，可以基本上解决蜗壳结构静力上存在的强度与变形等相关问题。
2厂房蜗壳动力分析的有关内容蜗壳结构的动力分析并不是利用静力分析的那套理论，必要条件下需要选取厂房整体或者一部分岩石来进行分析。
目前动力分析的研究主要集中在下面几方面：首先，弹性模量、范围选择等垫层参数对厂房整体及蜗壳局部动力特征的影响；其次，在一系列内源激烈作用的影响下，三种埋设方式的厂房蜗壳动力反应特点分析和研究；第三，直埋蜗壳因为流道内压力而引起蜗壳外围混凝土内贯穿性损伤及分裂的存在，对厂房和机组运行稳定性造成的影响等等。
通过大量实践研究发现，蜗壳的埋设方式并不会对厂房及蜗壳整体刚度带来太大的影响，也不会控制機组运行的稳定性。
3水电站厂房蜗壳结构静动力分析的主要问题分析本文以某水电站作为工程背景，针对厂房蜗壳结构展开静动力分析，通过对目前国内外研究情况的总结来看，我们可以通过以下几方面展开深入分析。
3.1垫层材料垫层材料主要应用在压力管道和蜗壳上，目前国内外已经针对其残余变形、疲劳、徐变应力性能等方面进行了较多研究，但是在机组振源、地震等动荷载影响下的动力非线性应力应变关系等方面还未开展研究。
水电站垫层蜗壳座环受力机理研究
ｃｓ， － ｏｌ ｅｒ ｏ ｅ ｂｓｄｏ ｎ ｃｕｌ ｙｒｐｗ ｒ ｒ ｅｔｓ ｅ ｕ ｌｕａ ｎ ｎｌｚ ｅｉｆ ｅ ｃｓ ｆ ｉｅｅｔ ａｅａ３ Ｄｎ ｎｉ ａ ｄ ｌ ａｅ ｎａ ｔ ｄｏ ｏ ｅ ｏ ｃ ｔ ｐｔ ｃ ｃｌｔ ａｄａａｙｅ ｈ ｌ ｎｅ ｆ ｒｎ ｎ ｍ ａ ａｈ ｐ ｊ ｉｓ ｏ ａ ｅ ｔ ｎｕ ｏｄ
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中 图分 类 号 ：Ｍ７ ０３２ Ｔ ３ ．１
文ห้องสมุดไป่ตู้标识码 ： Ａ
文章 编 号 ：５９ ９ ４ （０２ １－ ０７ ０ ０ ５ － ３ ２ ２ １ ）０ ０ ５ — ３
蜗 壳 和 座 环 是 水 轮 机 重 要 的 过 流 部 件 ． 结 构 型 式 上 不 仅 要 求 其 水 头 损 失 最 小 ，并 且 应 有 足 够 的 强 度 和 刚 度 以 保 证 机 组 的 安 全 运 行 。 以 往 对 蜗 壳 结 构 的研 究 主要 集 中 在 钢 蜗 壳及 其 外 围混 凝 土 的应 力 、 变 形 和 承 载 比方 面 口１ －。单 独 针 对 座 环 受 力 机 理 的 研 究 ２
巨型水轮机蜗壳垫层埋设方式和监测设计研究
巨型水轮机蜗壳垫层埋设方式和监测设计研究作者：伍文锋税思梅来源：《人民黄河》2020年第04期摘要：溪洛渡水电站单机容量770 MW，最大水头226 m，蜗壳尺寸大、承受的内水压力高。
为设计蜗壳合理的垫层方案，从改善蜗壳结构的受力状况出发，通过建立蜗壳三维有限元模型，进行线弹性计算和非线性有限元计算，对垫层厚度、包角和平面铺设范围以及蜗壳应力、钢筋应力、混凝土裂缝开展与宽度等物理力学指标进行分析，从而确定合理的垫层方案。
在结构计算结果的基础上进行蜗壳安全监测设计。
针对蜗壳不同结构形状、不同垫层方案选择监测断面;选用多种监测仪器对钢衬及外围混凝土应力、应变进行全面监测，以分析机组运行性态和评价机组运行安全情况。
关键词：水轮机蜗壳;垫层;埋设方式;溪洛渡水电站中图分类号：TV734.1 文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.029Abstract： The unit capacity of Xiluodu Hydropower Station is 770 MW and the maximum head is 226 m， having the features of big size of spiral case and high internal water pressure. In order to design reasonable cushion plan for spiral case， starting from improving suffer pressure of volute structure and through establishing three-dimensional finite element model of volute， it conducted linear elastic calculation and nonlinear finite element calculation. It analyzed the volute stress，reinforcement stress and development and width of concrete cracks physical indicators for determining a reasonable cushion plan. On the basis of structural calculation results， safety monitoring design of spiral case was carried out. The monitoring section was selected according to the different structural shapes and different cushion schemes. It selected and used various monitoring instrument to conduct overall monitoring in spiral case for analyzing the unit operation behavior and evaluating the safety of unit operation.Key words： spiral case; cushion; embedding type; Xiluodu Hydropower Station隨着特大型水电站的不断涌现，大流量、高水头和技术的进步使得水轮发电机组容量不断增大，蜗壳的HD值（H为水头，D为蜗壳进口断面直径）也不断增大。
大型水电站蜗壳结构优化研究
作 者 简 介 ： 小 玲 ， ， 级 工 程 师 ， 要 从 事 水 工 结 构 研 究 。 Ｅ—ｍ ｉ ｘ ｘ ｏ ｎＯ ＠ １３ ｃｒ 谢 女 高 主 ａｌ ｉ ｉ ｌ １ ６ ．ｏ ： ｅ ａ ｉｓ ｎ
第２ １期
谢 等 大
第４ ２卷 第 ２ 期 １ ２０ １１年 １１月 文章 编 号 ：０ １ ４ ７ （ ０ １ ２ ０ ３ Ｏ １ ０ — １ ９ ２ １ ） ｌ一 ０ ２一 ５
人 民 长 江
Ｙａ ｇ ｚ Ｒｉｅ ｎ ｔｅ ｖｒ
Ｖｏ ． １４２． ． Ｎｏ ２１ ＮＯ ．． Ｖ ２ １ ０１
大型 水 电站 蜗 壳 结 构 优 化 研究
谢 小 玲 ， 海 东 ＇ 苏 ２
（ ． 利 部 水 工 程 安 全 与病 害 防治 工 程 技 术 研 究 中 心 ， 北 武 汉 ４ ０ １ ； ２ 长 江 科 学 院 材 料 与 结 构 研 究 １水 湖 ３０ ０ ．
所， 北 武汉 ４０１） 湖 ３０ ０
３ ３
ｅ 屈服 准则 。 ｌ ＂
文献 标 志 码 ：Ａ 中 图法 分 类 号 ： Ｖ ４ Ｔ ７１
高 Ｈ 值 的 蜗 壳 结 构 混 凝 土 随 着 内水 压 力 的增 Ｄ 加， 必将 经 历弹性 、 塑性及 开裂 ３个过 程 。钢蜗 壳与 弹 混 凝 土之 间的接 触非 线性 、 混凝 土非线 性本 构关 系 、 钢 筋 混凝 土 的开裂 非线 性等 ， 都影 响着结 构 的力学 行为 ，
摘 要 ： 对 溪洛 渡 水 电站 蜗 壳埋 设 方 式研 究 中 的 水 泵房 墙 体 贯 穿性 裂缝 问 题 ， 用 钢 筋 混凝 土 非 线 性 有 限 元 针 采 方 法 进 行 优 化 研 究 。 研 究 结 果 表 明 ， 于垫 层 敷 设 至 １５ 方 案 ， 部 增 加 钢 筋 或 增 加 墙 体 厚 度 均 不 能 阻 止 贯 对 ３。 局 穿性 裂 缝 的 产 生 ， 未采 取 其 他 工程 措 施 的条 件 下 ， 层 应 至 少敷 设 至 １０ 断 面 。 水 泵 房 墙 体 加 厚 前 后 的 裂 在 垫 ８。
水轮机蜗壳的结构设计问题探究
摘要 ： 国近年 来引进 的机 组 其蜗 壳焊接后 多数要 在 工地进行 蜗 壳的水压 试验 ， 我 水压试 验尽 管可 以消 除部分 残余应 力 ， 量值有 限 ， 压蜗 壳 但 又 ｌ 的设 计应 力不大 、 计技 术 比较 成熟 、 和制造 工艺稳定 ， 设 焊接 而且有有 效的检 测手段 和经验 ， 以我 国水 电站 的蜗 壳可 不要求做 工地 水压 试验 。 所
余先源 Ｙ ａ ｙａ ｕＸｉｎ ｕ ｎ
（ 贵州黔 水建 设工 程有 限公 司 ， 阳 ５ ０ ０ ） 贵 ５ ０ ５ Ｇ ｉ ｏ ｉ ｓｕ Ｃ ｎｔ ｃ ｏ ｎ ｉ ｅ ｎ ｏ， ｕｙｎ ５ ０ ５ Ｃ ｉａ ｕ ｈ ｕＱ ａ ｈ ｉ ｏ ｓ ｕｔ ｎＥ ｇ ｅ ｒ ｇＣ ． ｉ ｇ５ ０ ０ ， ｈｎ ） ｚ ｎ ｒ ｉ ｎ ｉ Ｇ ａ
Ｖａｕ ｎ ｉ ｅ ｒ ｇ ｌ ｅ Ｅ ｇｎ ｅ ｉ ｎ
・１９ ・ ８
水 轮 机蜗 壳 的 结构 设 计 问题 探 究
Ｅｘ ｌ ｒ ｔｏ ｆｔ ｅ Ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｄ ｏ ｕ ｂ ｎ ｐ ｒ ｌＣａ ｉ ｇ ｐ ｏ ａ ｉ ｎ ｏ ｈ ｔ ｕ ｔ ｒ ｓｇ ｆＨｙ ｒ ｔ ｒ ｉ ｅ Ｓ ｉ ａ ｓｎ
中 图分 类 号 ：Ｈ１ Ｔ ２
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：０ ６ ４ １ （０ ０）６ ０ ８ — １ １ ０ — ３ ２ １ ３ — １９ ０ １
４１随着机组使 用水头和容量 的不断提高， ． 大型中、 高水头混流 １ 文章要探究的几个 问题 １１钢 蜗 壳 的 外 层 。 钢 蜗 壳 的外 层 包 有 钢 筋 混 凝 土 ， 者 之 间 式水轮机的蜗 壳钢板越来越厚。 ． 两 或填 以弹性垫层 ， 或预留间隙， 形成不同材料组合的联合承载结构 ， ４２由于蜗壳的残余应 力很高 ，现场又不可能有效地进行去应 ． 力处理。 这种接近屈服 强度 的残余应力 ， 再加上工作应力， 以使壳 可 如 何 才 能 保证 载 荷 分 配 比的 实 现 ， 且 可 靠 。 而 １２钢 蜗 壳 的支 撑 方式 。 钢 蜗 壳 是 大 型 薄璧 构 件 ， 经 历 挂 装 、 体 某 些 小 “ 纹 ” 在 区域 实际 上 处 于 全 面 屈服 。 － 要 裂 所 ４３蜗 壳 在 服役 期 内 会经 历 多 次 充 水 和 放 空过 程 ，从 受 力 角度 ． 焊 接 、 水压 试 验 ）（ （ 、 充压 ） 混凝 土 浇 筑 充 水 、 空 等 不 同工 作 状 态 ， 放 这 应 对 蜗 壳采 用什 么样 的支 撑 方 式 。 看 ， 有 多次 应 力 循 环 。 就 １３压 力 容 器 补 强 问题 。在 水 轮 机 运 行 时 ， 壳 是 一 个 形 如 蜗 ． 蜗 ４４模 型 试 验和 电站 运行 业 已证 实 ， 壳 内亦 存 在 压 力脉 动 ， ． 蜗 其 牛 、 侧开 口的 引 水 管道 ； 内 当水 轮 机 停 机 而 压 力 水 不 放 空 时 ， 壳又 量 值 一 般 不超 过运 行 水 头 的 ５ ７ 蜗 ％一 ％。 是一个开 口压 力容器。 蜗壳上的进人 门、 排水阀、 测量表计 等孔 口是 ４５由于蜗壳会有很 大的残余应力存在 ， ． 对大型蜗壳的选材 、 坡 口型式、 凑合节位置的选定 、 焊接材料和工 艺、 前预 热和焊后 的后 焊 否应按压 力容器规范补强。 １４防 水措 施 。 不 管 是 设 弹 性 垫层 、 是 充压 浇筑 混 凝 土 ， 运 热处理都 应特 别重视。 ． 还 在 行 中钢蜗 壳和 混凝土之间的间隙中都 不允许充有水 ， 采用什么措施 ５ 凑合节的位置 来保证。 凑合节 的焊缝最后焊 接 ， 此时焊接结构 刚度 大 ， 焊接残余应 力 １５焊 接 残 余 应 力 。 随 着 机 组 水 头 和 容 量 的 不 断 增 大 ， 壳 钢 也高。 ． 蜗 因此 ， 设计上应注意凑合节位置的选择。 国的设计 习惯 为减 我 总 同厚 度 蜗 壳 节 的 壳 板 的厚度 已经达到 ７ ｍｍ以上， ０ 如何考虑和解决焊接残余应力及其 少 钢 板 规 格 ， 是 数 节蜗 壳 采 用 同一 规 格 厚 度 ， 影响。 半 径 越 小 ， 工 作 应 力越 低 。 其 １６蜗壳有没有 必要做水压试验 。 ． ６ 水 压 试 验 ２ 设弹性垫层和充压浇筑混凝土 ６１蜗壳是一个开 口的特殊压力容器 ，其工作条件较一般 意义 ． ２１充压 浇筑法。充压后蜗壳 自由变形 ， ． 此时浇筑混凝土 ， 当水 的压力容器要好。 压撤去后蜗 壳与混凝土间能够 形成设计预期 的间隙。 就保证 了给定 ６２蜗壳设计上取水锤升压作为工作压 力，对高强度钢板 许用 ． ／ 实际蜗 壳又 与外 围混凝土联 合受力， ３ 工 的载荷分配比例。充水压力以下的内水压 力全部由钢蜗 壳承 担 ， 充 应力取材料屈服 强度 的 １ 。 水压力以上部 分的压力则 由钢蜗壳和外包混凝土联合承担 。 作 应 力 将 更低 。 ６３尽 管 蜗 壳焊 缝有 很 大 的残 余 应 力 ，但只 要设 计 上 对 蜗 壳 进 ． ２２垫层法。① 而蜗壳上半 圆敷 设弹性垫层时 ， ＿ 情况就要 不利 些垫层材料必须具 有弹性模 量低 、 吸水性差 、 老化 、 抗 抗腐 蚀 、 徐 行临界裂纹尺 寸和低周疲劳校核 ， 蜗壳 的安全性完全可以保证。 变小且稳定 、 造价低廉 、 施工方便等性 能。②水 电站 的寿命很 长， 如 ６４ 水压 试 验 尽 管 可 以消 除 部 分 残 余应 力 ， 量值 有 限。 ． 但 ６５蜗壳设计技术很成熟 ， ． 选材谨慎 ， 制造工 艺稳定。 国 内丰满水 电站 已有 ６ Ｏ多年历史 ，世界上还能找到年过百岁仍在 ６６我国有专业化 的水 电施工队伍 ，有安装和焊接蜗壳的丰富 ． 服役的水 电站 。③弹性垫层 一般都敷设在设计规定的范围内。
水电站混凝土蜗壳设计探析
水电站混凝土蜗壳设计探析摘要：水电站为了提高运行稳定性、增加经济效益，经常会对混凝土蜗壳展开有效设计。
本文将从某水电站的工程概况出发，对其混凝土蜗壳的设计进行分析与探究，希望为相关人员提供一些帮助和建议，更好地设计水电站的蜗壳。
关键词：蜗壳设计；混凝土蜗壳；水电站引言在水轮机中，蜗壳是十分重要的一个过流部件，设计的蜗壳质量高低会对水电机组整体工作效率产生直接影响，并且关系到水电站布置的科学性与合理性，这要求水电站应结合自身实际情况，寻找设计混凝土蜗壳的依据，展开有效的蜗壳设计。
因此，研究设计混凝土蜗壳的策略具有一定现实意义。
一、工程概况某水电站安装了300MW水轮发电混流式机组，共计六台，安装的水轮机高程是128米，水头设计为113米，额定转速为每分钟106r，额定流量是每秒295立方米，额定出力为305MW，直径为6米。
其蜗壳的进口直径是7.3米，甩负荷压力的最大值是1.91兆帕，静水压力最大值为1.39兆帕。
水电站中的一些机组设备通过世界银行进行贷款，借助国际招标工作，最终由相关企业承包并建造。
在该水电站中，水轮发电的机组主要通过下机架进行支承，并将软垫层敷设于钢蜗壳的外部。
所有内水的压力都能被钢蜗壳承担，内水压力的设计值是1.92兆帕，蜗壳混凝土结构仅能够承受楼板、水轮发电机等上部结构产生的重力荷载。
二、水电站机组的荷载按照水电站布置的整体规定，连接机组和引水压力钢管的形式为一管一机。
蜗壳的进口内径是7.1米，压力钢管的直径是7.7米，把连接段设置到钢蜗壳和钢管间。
蜗壳钢板的厚度为20毫米至40毫米，厂房轴线和机组中心线存在11.5度的夹角。
此钢蜗壳具有较为复杂的混凝土结构受力情况与尺寸体型，在设计结构过程中，对围岩的压力、内外水的压力、发电机组的荷载、结构的自重、风罩传递的荷载等基本荷载类型均有涉及，水轮机的总重量是10500千牛，发电机的总重量是18600千牛。
三、设计混凝土蜗壳的混凝土结构在设计时，钢蜗壳断面使用了全埋型圆断面，安装的机组高程为128米，段长是26米，低于124米高程的部分宽23米，高出的部分宽25米。
水电站蜗壳垫层结构研究
2003年06月 SHUILI XUEBAO 第6期 文章编号：0559-9350（2003）06-0085-05水电站蜗壳垫层结构研究付洪霞1，马震岳1，董毓新1(1.大连理工大学 土木水利学院，辽宁 大连 116024)摘要：应用三维非线性有限元研究了水电站蜗壳垫层的弹性模量、厚度和铺设范围对承载比的影响。
为减轻钢蜗壳在上蝶边处的应力集中，提出在蝶形边附近一定范围内不设垫层。
如果垫层铺到180°，则恰好该处外包混凝土较薄，易产生混凝土贯穿裂缝，若将垫层下延20°～30°，则该处外包混凝土变厚，可改善垫层末端混凝土受力状态。
建议将垫层的厚度与弹模之比作为垫层设计的一个参考指标，并给出厚度与弹模的优化比值，可适用于一定PD值范围的蜗壳，供工程设计参考。
关键词：蜗壳；垫层；弹性模量；承载比 中图分类号：TV732.4 文献标识码：A目前，国内外大型水电站钢蜗壳结构设计形式主要有三种[1]：（1）钢蜗壳外直接浇筑混凝土，既不设垫层也不充水预压；（2）钢蜗壳在充水预压状态下浇筑外围混凝土；（3）钢蜗壳上部一定范围内铺设垫层后浇筑外围混凝土。
我国已建、在建和设计中的水电站蜗壳，许多采用了第三种结构形式。
这种形式的优点在于，可以减少钢蜗壳向外围钢筋混凝土结构传递的内水压力，充分发挥钢衬的承载力，改善蜗壳外围混凝土的应力状态，提高其抗裂安全度。
但在工程应用和计算分析中还存在如下问题：（1）以往的有限元计算[2]一般仅取控制断面附近局部范围的蜗壳结构进行分析，而实际上沿蜗壳环向存在着较大的应力，整体受力状况明显，因此对蜗壳结构进行整体分析更能反映工程的实际情况；（2）垫层材料的试验[3]表明，垫层为非线性材料，而近似地将其简化为线弹性模型显然与实际不符[4]；（3）垫层的选取由于受到弹性模量、厚度、铺设范围的综合影响，设计中没有一种定量的标准来衡量。
本文利用ANSYS结构分析程序对水电站蜗壳进行整体三维非线性有限元分析，探讨了垫层弹性模量、厚度及铺设范围对承载比的影响，并提出以厚度与弹模比作为参数指标，为工程设计优化提供参考。
基于欧洲标准的水电站垫层蜗壳结构三维有限元分析
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基于欧洲标准的水电站垫层 蜗壳结构三维有限元分析
吕文龙王树平赵群章
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摘!要 近年来#国内水电企业积极响应国家'走出去) 战略#拓展国际水电市场% 正在建设的苏布雷水电站被誉为科特迪瓦的' 三 峡电站) #项目的勘测设计采用欧洲标准% 本文分析了欧洲标准与国内行标在混凝土结构设计时的主要异同#基于欧洲标准采用 1M4C9N软件开展苏布雷水电站垫层蜗壳结构的有限元分析#完成了蜗壳垫层铺设方案的比选% 根据选定的垫层铺设方案#采用有 限元主拉应力图形配筋法进行配筋计算#并通过限制钢筋应力的裂缝控制方法修正有限元配筋计算成果#指导工程设计和施工% 关键词 欧洲标准&垫层蜗壳&有限元&配筋计算 中图分类号 /g"$!!!文献标志码 J!!!文章编号$&&" ,+'&.%&$'&$ ,&&"* ,&.
水电站垫层蜗壳结构设计分析
水电站垫层蜗壳结构设计分析摘要：本文通过实际案例分析的方式，首先对软垫层中各项主要参数进行设置，即垫层厚度、弹性模量、上末端与基坑里衬的距离、下末端铺设位置，然后对蜗壳外围混凝土的结构进行设计，包括顶部混凝土厚度、配筋设计、弹性有限元计算等，力求通过科学合理的设计，使水电站中垫层蜗壳的结构更加高效可行。
关键词：水电站；垫层蜗壳；结构设计引言：在水电站厂房中，蜗壳结构属于水轮机的重要内容，具有较强的引水作用，其结构设计的合理性将直接关系到机组运转效率。
目前，对于大中型水电站来说主要采用金属蜗壳，近年来软垫层蜗壳结构得到广泛应用，可有效缓解金属蜗壳与外部混凝土间的力的传递，使混凝土质量与配筋量得到有效提升。
1.工程概况某水电站位于浙江省境内，上游与坝址间的距离为182km，下游与水电站间的距离为195km，总装机的容量为16×1000MW。
多年来，该电站均发电量为640.95亿kwh，水库总容量为206.27亿m3。
该水电站厂房中采用“一机一缝”的布置方式，钢蜗壳的进口直径为8.6m，内水压力最高为3.4MPa，HD最大值为2932m2，根据机组技术以及厂房的供水泵布置，蜗壳外围混凝土厚度最少为2.0m。
2.软垫层参数设计在水电站运行中，软垫层中应用较为广泛的材料有：聚乙烯低发泡塑料、聚氨酯软木、柴油沥青据末砖等等，本水电站采用聚氨酯软木作为垫层，在主要参数的设置方面，包括混凝土受力最大处周围应力情况；蜗壳脆弱处混凝土的受力情况；外围混凝土的承载比；钢结构的受力情况等。
利用软件ANSYS进行计算，由于蜗壳进口段通常为最不利断面，因此选择首个管节构建轴对称计算模型，在蜗壳面包角为5°的位置构建计算模型，利用八结点块体单元构建混凝土结构，并将实际尺寸、形状考虑进去，设置软垫层的上下环板。
在垫层设计过程中，本文主要利用四个因素的敏感性进行分析，即垫层厚度、弹性模量、上末端与基坑里衬的距离、下末端铺设位置等。
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2003年06月 SHUILI XUEBAO 第6期 文章编号：0559-9350（2003）06-0085-05水电站蜗壳垫层结构研究付洪霞1，马震岳1，董毓新1(1.大连理工大学 土木水利学院，辽宁 大连 116024)摘要：应用三维非线性有限元研究了水电站蜗壳垫层的弹性模量、厚度和铺设范围对承载比的影响。
为减轻钢蜗壳在上蝶边处的应力集中，提出在蝶形边附近一定范围内不设垫层。
如果垫层铺到180°，则恰好该处外包混凝土较薄，易产生混凝土贯穿裂缝，若将垫层下延20°～30°，则该处外包混凝土变厚，可改善垫层末端混凝土受力状态。
建议将垫层的厚度与弹模之比作为垫层设计的一个参考指标，并给出厚度与弹模的优化比值，可适用于一定PD值范围的蜗壳，供工程设计参考。
关键词：蜗壳；垫层；弹性模量；承载比 中图分类号：TV732.4 文献标识码：A目前，国内外大型水电站钢蜗壳结构设计形式主要有三种[1]：（1）钢蜗壳外直接浇筑混凝土，既不设垫层也不充水预压；（2）钢蜗壳在充水预压状态下浇筑外围混凝土；（3）钢蜗壳上部一定范围内铺设垫层后浇筑外围混凝土。
我国已建、在建和设计中的水电站蜗壳，许多采用了第三种结构形式。
这种形式的优点在于，可以减少钢蜗壳向外围钢筋混凝土结构传递的内水压力，充分发挥钢衬的承载力，改善蜗壳外围混凝土的应力状态，提高其抗裂安全度。
但在工程应用和计算分析中还存在如下问题：（1）以往的有限元计算[2]一般仅取控制断面附近局部范围的蜗壳结构进行分析，而实际上沿蜗壳环向存在着较大的应力，整体受力状况明显，因此对蜗壳结构进行整体分析更能反映工程的实际情况；（2）垫层材料的试验[3]表明，垫层为非线性材料，而近似地将其简化为线弹性模型显然与实际不符[4]；（3）垫层的选取由于受到弹性模量、厚度、铺设范围的综合影响，设计中没有一种定量的标准来衡量。
本文利用ANSYS结构分析程序对水电站蜗壳进行整体三维非线性有限元分析，探讨了垫层弹性模量、厚度及铺设范围对承载比的影响，并提出以厚度与弹模比作为参数指标，为工程设计优化提供参考。
1 非线性分析方法采用ANSYS有限元程序，其基本假定为：①在高斯积分点处，裂缝允许在3个正交方向产生；②混凝土假定为各向同性材料；③混凝土考虑塑性开裂。
其中混凝土采用应变强化塑性模型，钢筋采用分布模型，混凝士裂缝利用分布裂缝模型来模拟。
采用Drucker Prager强度准则研究多轴应力状态下的混凝土强度问题，其表达式为0≥−S f Fc（1）式中：F为主应力σxp 、σyp 、σzp 的函数；S为主应力状态和混凝土强度所表达的混凝土破坏曲面；f c 为混凝土单轴抗压强度。
当混凝土应力超出抗拉强度时，混凝土开裂，应力由钢筋承担。
收稿日期：2002-05-09作者简介：付洪霞(1976-)，女，山东招远人，博士研究生，主要研究方向：水电站建筑物结构分析。
2003年06月 SHUILI XUEBAO 第6期2 计算条件以某水电站蜗壳结构为例进行研究。
蜗壳入口断面直径4.2m，钢板厚度32mm，末端处厚度20mm，弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，比重ρ=78kN/m 3。
外围混凝土弹性模量E=2.55×104MPa，泊松比μ=0.167，比重ρ=25kN/m 3。
作用荷载包括：结构自重、机墩及以上结构和设备重量、蜗壳内水压力1.17MPa。
取整体蜗壳为研究对象，考虑混凝土和垫层的非线性特性，外围钢筋混凝土采用钢筋混凝土单元。
3 计算结果3.1 垫层弹模对承载比的影响 为了比较不同弹性模量的垫层材料对承载比的影响，取垫层厚度5cm，钢蜗壳上半圆与外包混凝土之间铺设垫层，即包角180°。
以蜗壳进口断面为例，分别计算垫层弹模E=2MPa、4MPa、6MPa、8MPa、10MPa、15MPa、22MPa、30MPa时断面顶部钢衬、内层钢筋及外围混凝士的环向应力 及承载比，结果见表1及图1所示。
表1 不同垫层弹模下蜗壳各部分材料的环向应力及承载比钢衬内层钢筋混凝土 垫层弹模/MPa环向应力/MPa承载比(%) 环向应力/MPa承载比(%) 承载比(%) 2 4 6 8 10 15 22 3068.4 64.9 62.0 59.6 57.3 52.7 47.8 43.878.4 74.4 71.1 68.3 65.7 60.4 54.8 50.27.8 8.2 8.5 8.9 9.2 9.8 10.4 11.18.9 9.4 9.8 10.2 10.5 11.3 12.0 12.812.7 16.2 19.1 21.5 23.8 28.3 33.2 37.0随着垫层弹性模量的减小，蜗壳外围钢筋混凝土的承载比也逐渐减少，亦即传到外围钢筋混凝土中的内水压力逐渐减少，钢衬所承担的比例逐渐增大。
垫层弹模由30MPa减少到2MPa过程中，钢衬和混凝土的承载比变化比较明显，钢衬提高28.2%，混凝土降低24.3%，而内层钢筋则变化很小仅为3.9%。
这说明垫层弹模的改变对钢衬和混凝土的承载比影响很大，随着垫层弹模降低而使混凝土所承担的内水压力部分转移，并主要由钢衬来承担。
故采用较小的垫层弹模可以提高钢材利用率，节约钢筋，改善外围混凝土受力状况。
3.2 垫层厚度对承载比的影响 为了比较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°。
以蜗壳进口断面为例，分别计算垫层厚度d=3cm、表2 不同垫层厚度下蜗壳各部分材料的环向应力及承载比钢衬内层钢筋混凝土 垫层厚度/cm环向应力/MPa承载比(%) 环向应力/MPa承载比(%) 承载比(%) 3 4 5 67.0 67.8 68.476.7 77.6 78.48.3 8.1 7.89.5 9.3 8.913.8 13.112.72003年06月 SHUILI XUEBAO 第6期4cm、5cm时断面顶部钢衬、内层钢筋及外围混凝土的环向应力及承载比，结果见表2所示。
随着垫层厚度的增加钢衬的承载比相应提高，混凝土及内层钢筋的承载比则随之下降，但三者变化的幅度均较小。
垫层厚度每增加1cm，钢衬承载比提高约一个百分点，而混凝土承载比仅降低约0.7个百分点，较之垫层弹模变化所引起的承载比变化要小一些。
这说明，垫层厚度的增加也可以提高钢衬的利用率，改善外围混凝土的受力状况；但降低垫层的弹性模量比增加厚度对蜗壳各结构承载比的影响更明显。
3.3 垫层铺设范围对承载比的影响 为避免上碟形边处由于应力集中可能导致的钢衬开裂，同时减轻外围混凝土薄弱部位由于垫层厚度突变而造成的裂缝程度，在钢蜗壳靠近上碟形边处留出一定范围不铺设垫层，另一端则向下延伸一定范围。
当然，垫层末端向下延伸还需考虑到施工难度，不能延伸过大。
取垫层弹模E=2MPa，垫层厚度d=5cm，以蜗壳进口断面为例，分别计算以下几种铺设方案时蜗壳各部分材料的受力情况：（1）钢蜗壳上半圆与外包混凝土之间铺设垫层，即包角180°；（2）钢蜗壳靠近上碟形边处留出10°不铺设垫层，另一端垫层由180°再向下延伸10°；（3）钢蜗壳靠近上碟形边处留出10°不铺设垫层，另一端垫层由180°再向下延伸20°；（4）钢蜗壳靠近上碟形边处留出10°不铺设垫层，另一端垫层由180°再向下延伸30°。
由于座环与钢衬碟形边处焊接在一起，而两者相比，座环的刚度比钢衬大的多，故在内水压力作用下，钢衬在与座环的连接处存在着很大的弯曲应力，局部应力集中现象严重；同时当在蜗壳上半圆靠近座环的碟形边处设置垫层时，混凝土承担的内水压力相对减少，由于此处混凝土很薄，内水压力主要由钢衬承担，明显提高了钢衬的承载比，进一步加大了钢衬与座环连接处的应力集中程度。
所以考虑在此处留出10°范围不铺设垫层，以减轻钢衬的应力集中现象。
由计算可知，上碟形边钢衬的应力值减小近20%。
由于在未设垫层的10°范围内混凝土需要承担很大的内水压力，故应当加强该处的配筋。
另外，垫层末端由于材料的突变，在其附近外围混凝土中也存在着应力集中，而且随着垫层厚度的增大及垫层弹性模量的降低，应力集中现象趋于增大。
此部位在蜗壳整体结构中，外围钢筋混凝土相对比较薄弱，在蜗壳充水运行期间易产生裂缝。
故应适当将垫层末端由180°向下延伸一定长度，则钢衬外包混凝土厚一些，可改善垫层末端处混凝土的开裂程度。
由表3可见，当垫层末端由180°向下继续延伸10°、20°、30°时，蜗壳顶部混凝土的最大环向应力、第一主应力、第三主应力值均相应降低；并且，随着垫层包角的增大，外围混凝土的最大位移值也明显减小。
所以，在钢蜗壳靠近上碟形边处留出一定范围不铺设垫层，另一端则向下延伸一定范围，有利于改善蜗壳结构的受力状况。
3.4 垫层厚度与弹模比对承载比的影响 由以上的分析可见，垫层的弹性模量和厚度对承载比的影响均很大。
在选取垫层时应当综合考虑两者的作用。
由于这两个参变量的相互影响，给实际设计带来很大表3 不同垫层铺设方案下蜗壳顶部混凝土受力情况及整体混凝土的最大位移铺设方案最大环向应力/MPa第一主应力/MPa第三主应力/MPa最大位移值/mm1 2 3 40.920 0.943 0.922 0.8930.923 0.951 0.931 0.906-0.024 -0.022 -0.021 -0.0190.589 0.436 0.4300.4272003年06月SHUILI XUEBAO第6期的不便，因此采用厚度与弹模比d/E(单位：mm3·N-1)作为参考指标。
以下分别选取4个工程实例进行分析：（1）吉林台一级电站蜗壳入口处断面直径4.2m，钢衬厚度32mm，末端处厚度20mm，内水压力1.17MPa；（2）蜗壳入口处断面直径4.2m，钢衬厚度16mm，末端处厚度10mm，内水压力0.6MPa；（3）蜗壳入口处断面直径7.8m，钢衬厚度28mm，内水压力1.205MPa；（4）三峡电站蜗壳入口处断面直径12.3m，钢衬厚度70mm，内水压力1.13MPa。
相应的钢衬承载比见图2所示。
由图2可以看出，以d/E=12.5mm3/N为界，当d/E＜12.5mm3/N时，垫层厚度及弹模的变化对承载比影响很大；而当d/E＞12.5mm3/N时，垫层厚度及弹模的变化对其影响曲线趋于平缓，此时垫层对于降低承载比的效果是十分明显的。
由于当d/E值过小时，垫层参数的改变对承载比的影响效果不理想；而值过大时，则必然导致弹模过低，施工期垫层本身产生的变形难以控制，从而无法保证设计时的弹模值，且由于垫层的初始应变已很高，故在运行期会导致内水压力的外传比不能达到预期的效 果，所以垫层在选用时应当取d/E=12.5mm3/N附近的数值。