垫层埋入法蜗壳结构设计的统计分析与研究

2021-03-03王家明马青

人民黄河 2021年1期

王家明马青

摘要：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、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20～30 mm，垫层弹性模量取1.5～3.6 MPa，垫层平面布置从蜗壳进口起始铺至转角270°，垫层立面布置上至机坑里衬1.25～2.50 m、下至腰线以下10°～30°。

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;TV741文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.026

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.

Statistical Analysis and Research on Structural Design of Spiral Case with Cushion Embedding Method

WANG Jiaming1， MA Qing2

（1.Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Xian 710100， China;

2.Power China Guiyang Engineering Corporation Limited， Guiyang 550081， China）

Abstract：In order to sum up and refine further engineering experience of the structure of spiral case by cushion embedding method， this paper made a lot of statistics and analysis on the hydropower station with cushion embedding method in China. It demonstrated the development of cushion embedding method and pointed out the universal applicability of the cushion embedding method in high head and large size of spiral case. It summarized the range of parameters of cushion layers which were widely used， including 20 to 30 mm thick， 1.5 to 3.6 MPa elastic modulus， from spiral case inlet to 270° section of horizontal section laying scope and beginning from 1.25 to 2.50 m of distance between cushion and pit lining and down to 10° to 30° below the waist line of vertical section laying scope.

Key words： cushion embedding method; development; cushion parameter; structural design; finite element

蝸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。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。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]。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、垫层末端易产生应力集中且易老化。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。付红霞等[7-8，10]对垫层材料、厚度、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。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。

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、垫层设计参数及外围混凝土结构设计进行系统总结。

1 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1。

垫层埋入法应用起步阶段，国内建设的新安江、刘家峡和碧口水电站采用了垫层蜗壳，但出现了一些问题。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]。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。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力特点、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。

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2。

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。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287 m、蜗壳进口直径为7.2 m的溪洛渡水电站，最大水头为340 m、蜗壳进口直径为8.6 m的白鹤滩水电站等均采用了垫层埋入法。可见，这种埋设方法已成为目前国内大型、巨型电站的首选方法。

2 垫层设计参数的统计与分析

2.1 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3。

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。

而研究成果表明[15]，聚氨酯软木在力学性质、材料老化后性能、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。

2.2 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。数据显示，垫层厚度的取值范围为20～30 mm，垫层弹性模量的取值范围为1.5～3.6 MPa。

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、垫层弹性模量越小，对提高金属蜗壳分担内水压力比例、改善外围混凝土受力状态有一定帮助，但当垫层厚度以1 cm或弹性模量以1 MPa为单位变动时，金属蜗壳和外围混凝土的应力改变微小。一些学者也得到了同样的结论[7-8]。

2.3 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135°～280°之间，绝大多数都采用传统垫层范围，即铺至转角270°;立面铺设范围为蜗壳上半圆，上端始于距机坑里衬（座环）1.25～2.5 m处，下端至腰线（安装高程）以下0°～30°处。

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。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。

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。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。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。以蜗壳进口段为例，统计分析见图1（R2为确定系数）。

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。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。

另外，对于垫层末端的铺设范围，有限元研究表明[7-8]，墊层范围铺至腰线处，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10°～30°，这样做对改善腰线附近的混凝土受力有帮助。

3 垫层埋入法外围混凝土结构设计研究

3.1 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。

（1）平面框架简化算法。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。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。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。

（2）三维有限元法。将金属蜗壳、外围混凝土、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。然后根据配筋结果进行建模，将金属蜗壳、外围混凝土、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、外围混凝土及钢筋应力的受力状态调至最合理状态。

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。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。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]。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。

3.2 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。笔者统计了蜗壳进口段直径大于6 m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32～36 mm之间，钢筋间距为200 mm，单位宽度下配筋面积主要分布在9 650～18 321 mm2之间，见表4。

另外，笔者查阅了国内采用垫层埋入法的4座水电站（董箐、龙羊峡、龙滩和碧口）的蜗壳钢筋应力实测资料，发现蜗壳周围环向钢筋最大应力[19-20]（分别为39.8、27.9、19.4、20.0 MPa）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。

4 结论

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、大尺寸蜗壳结构上。

（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。

（3）总结了目前较为普遍的垫层设计参数。垫层厚度一般取20～30 mm，垫层弹性模量取1.5～3.6 MPa，垫层平面布置铺至转角270°。垫层立面布置中，上端始于距机坑里衬1.25～2.50 m处，下端至腰线以下10°～30°处。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。

（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。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。

参考文献：

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[7] 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] 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.

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