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

发表时间：2019-09-03T14:06:59.430Z 来源：《建筑细部》2019年第1期作者：陈健明

[导读] 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。

陈健明

阳江市水利水电勘测设计有限公司广东阳江 529500

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。从计算结果中能够看出：外围混凝土腰线受力与弹性模量之间成正比例关系，钢蜗壳环与弹性模量之间成反比例关系；混凝土腰线应力与垫层厚度成反比例关系，钢蜗壳环与垫层厚度成正比例关系；下末端范围逐渐朝下延伸，混凝土腰线处受力情况发生较大改变，当混凝土腰部节点与断面中心距离与断面半径相比大于0.5m时，下末端处于腰线下15°的位置时，环向应力达到最大；当下末端铺设在腰线以上15°时，则腰线处的应力最小；当混凝土腰部节点与断面中心距离与断面半径相比小于0.5m时，下末端范围逐渐朝下延伸，应力逐渐降低，承载比随之减小，环向应力逐渐提升；当上末端与基坑里衬的距离逐渐增加，腰线混凝土的受力情况整体提高，承载比逐渐提升，环向应力逐渐降低。

根据上述分析，经过现场分析和对比，并与以往工程经验相结合，本水电站中垫层的参数设置为：蜗壳延伸进口与蜗壳的角度为280°；外侧与蜗壳腰线间重合；内侧与基坑里衬间的距离为2.0m；蜗壳尾部渐变长度为1.6m；在垫层厚度方面，蜗壳延伸进口与蜗壳180°间的距离为30mm；弹性模量设置为2.0MPa；从蜗壳180°到280°之间的距离为20mm[1]。

3.蜗壳外围混凝土的结构设计

3.1顶部混凝土厚度

通常情况下，水轮机层下端的尺寸、形状等均由水力系统决定。从高度上看，最小尺寸可由水轮机安装高度与转轮大小来决定，地面高程的计算方式为：

△Z1＝△Z0＋r＋hd

式中，△Z1代表的是水轮机的安装高程；r代表的是蜗壳进口半径；hd代表的是顶部混凝土厚度；其中，混凝土厚度可根据以往的工程经验进行估算，也可根据厂房设备安装、结构布置等因素进行适当调整，明确最终值并验算。

在施工设计时，水轮机厂家应明确设备的相关参数，如荷载、重量等，在计算时与厂家提供的设备信息相结合，根据结构力学法对机墩强迫振动进行计算，最大竖向振幅超过0.15mm，与《水电站厂房设计规定》中的内容不相符合，最大竖向振幅的公式为：

式中，A1代表的是机墩的竖向振幅；G1代表的是竖向自振频率；代表的是自振圆频率；代表的是顶板跨度；

从上述公式可以看出，在水轮机各项参数确定的情况下，机墩中竖向振幅主要受圆频率与竖向振动两个因素的影响，也就是与竖向自振频率相关，而该频率的大小主要包括混凝土厚度、顶板跨度，因此要想使竖向振幅大小发生改变，则需要对混凝土厚度、顶板跨度二者进行更改。在本厂房中，发现洞室开挖尺寸受限，顶板跨度无法更改，只能采用更改顶板外混凝土厚度的方式，使其与规定内容相符合。最终，将混凝土的原本厚度1.55m提高到1.85m，并使水轮机的高程增加0.3m[2]。

3.2配筋设计与弹性有限元计算

利用ANSYS软件，以2号机组的工作范围为对象，以厂房纵向线为中心，长度为38.0m，蜗壳进口方面为17.1m，水泵室为20.9m，上下游分别到开挖面位置，宽度为31.5m，在高度的取值上，从尾水管高程到定子基础高程。由于模型两侧属于永久分缝，因此可根据自由面对混凝土两侧边界进行设置，通过弹性链杆支承的方式对上下游混凝土边界进行确定；利用弹簧单元COMBINI4进行模拟，使厂房与接触面简化成厂房宽度圆面，按照压力隧洞抗力理论，对弹性刚度数值进行计算，公式为：

式中，K0代表的是单位抗力系数，单位为MPa/m；与工程人员以往经验相结合，确定最终数值；An代表的是混凝土与围岩之间的相