墊層埋入法蝸殼結構設計的統(tǒng)計分析與研究

王家明 馬青

摘 要：為了進一步對墊層埋入法蝸殼結構埋設方式進行總結提煉，對國內采用墊層埋入法的水電站進行了統(tǒng)計和分析，系統(tǒng)闡明了墊層埋入法的應用發(fā)展，指出了在高水頭、大尺寸蝸殼結構上墊層埋入法的普遍適用性，總結了具有廣泛應用性的墊層參數(shù)取值范圍，即墊層厚度取20～30 mm，墊層彈性模量取1.5～3.6 MPa，墊層平面布置從蝸殼進口起始鋪至轉角270°，墊層立面布置上至機坑里襯1.25～2.50 m、下至腰線以下10°～30°。

關鍵詞：墊層埋入法;發(fā)展;墊層參數(shù);結構設計;有限元

中圖分類號：TV731;TV741文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.026

引用格式：王家明，馬青.墊層埋入法蝸殼結構設計的統(tǒng)計分析與研究[J].人民黃河，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

蝸殼是水電站廠房重要的過流部件，其結構形式復雜，直接影響著水電站的安全穩(wěn)定運行。蝸殼的埋設方式多樣[1]，不同的蝸殼埋設方式，金屬蝸殼和外圍混凝土均表現(xiàn)出不同的受力狀態(tài)。國內學者曾對蝸殼埋設方式進行過大量研究，并對比了不同埋設方式的結構受力特性[2-6]。墊層埋入法蝸殼埋設方式是在蝸殼與外圍混凝土之間鋪設一層彈性墊層，這種工藝可以有效降低蝸殼外圍混凝土的受力，發(fā)揮金屬蝸殼鋼板強度優(yōu)勢[7-8]，但其墊層參數(shù)多、墊層末端易產生應力集中且易老化。張啟靈等[9]對墊層埋入法蝸殼結構進行了系統(tǒng)研究和介紹。付紅霞等[7-8，10]對墊層材料、厚度、鋪設范圍等墊層參數(shù)進行了敏感性分析，得出了蝸殼及外圍混凝土在墊層參數(shù)變化情況下的應力變化規(guī)律。樊熠瑋等[11-13]在蝸殼結構設計時引入三維有限元法對金屬蝸殼及外圍混凝土的受力特性進行了仿真模擬，并進行了配筋計算。

國內學者對墊層埋入法蝸殼結構研究較為深入，但系統(tǒng)性總結不多，鑒于此，有必要對墊層埋入法的發(fā)展、墊層設計參數(shù)及外圍混凝土結構設計進行系統(tǒng)總結。

1 墊層埋入法的發(fā)展統(tǒng)計與分析

筆者搜集了國內17座采用墊層埋入法埋設蝸殼結構的水電站資料，對該法的應用情況進行了統(tǒng)計，見表1。

墊層埋入法應用起步階段，國內建設的新安江、劉家峽和碧口水電站采用了墊層蝸殼，但出現(xiàn)了一些問題。以碧口水電站為例，在蝸殼和外圍混凝土的原型觀測中發(fā)現(xiàn)，設置墊層導致蝸殼頂部在內水壓力下發(fā)生屈服[14]?？梢姡こ倘藛T對墊層下的蝸殼及外圍混凝土的內水壓力分配作用認識還不深入，只是單純發(fā)揮其減力作用。隨著有限元計算的發(fā)展和工程經驗的積累，工程人員對墊層埋入法蝸殼和外圍混凝土的受力特點、運行機理的認識逐漸深入[9]，這一點從工程實際應用情況上就能看出，即在單機容量4萬～100萬kW的水電站中墊層埋入法得到了廣泛采用。

同時，筆者對2000年以來開工建設的裝機200萬kW以上的16座水電站的蝸殼埋設方式進行了統(tǒng)計，見表2。

由表2可知，墊層埋入法和充水保壓埋入法兩種蝸殼埋設方式在國內應用較為廣泛。裝機容量超過500萬kW的水電站中，采用墊層埋入法的水電站較多，尤其近年來國內建設的巨型電站，如最大水頭為287 m、蝸殼進口直徑為7.2 m的溪洛渡水電站，最大水頭為340 m、蝸殼進口直徑為8.6 m的白鶴灘水電站等均采用了墊層埋入法?？梢?，這種埋設方法已成為目前國內大型、巨型電站的首選方法。

2 墊層設計參數(shù)的統(tǒng)計與分析

2.1 墊層材料統(tǒng)計與分析

筆者對國內13座采用墊層埋入法的水電站中埋設蝸殼結構的墊層材料進行了統(tǒng)計，見表3。

可見，起初工程人員使用的墊層材料較多且雜，隨著材料科學的發(fā)展，易老化的材料逐漸被淘汰，聚乙烯閉孔泡沫板（PE板）和聚氨酯軟木（PU板）逐漸受到青睞并得到廣泛應用。

而研究成果表明[15]，聚氨酯軟木在力學性質、材料老化后性能、工程造價及施工難度等方面均表現(xiàn)出比其他材料更為良好的性能。

2.2 墊層厚度與彈性模量統(tǒng)計與分析

筆者搜集了采用PE板和PU板的水電站資料，對墊層厚度和彈性模量進行了統(tǒng)計分析。數(shù)據(jù)顯示，墊層厚度的取值范圍為20～30 mm，墊層彈性模量的取值范圍為1.5～3.6 MPa。

筆者通過有限元法對墊層厚度和彈性模量進行了敏感性分析，計算結果表明，墊層厚度越厚、墊層彈性模量越小，對提高金屬蝸殼分擔內水壓力比例、改善外圍混凝土受力狀態(tài)有一定幫助，但當墊層厚度以1 cm或彈性模量以1 MPa為單位變動時，金屬蝸殼和外圍混凝土的應力改變微小。一些學者也得到了同樣的結論[7-8]。

2.3 墊層空間鋪設范圍統(tǒng)計與分析

筆者對墊層空間鋪設范圍進行了統(tǒng)計分析，結果表明，平面鋪設范圍一般為從蝸殼進口段至蝸殼轉角135°～280°之間，絕大多數(shù)都采用傳統(tǒng)墊層范圍，即鋪至轉角270°;立面鋪設范圍為蝸殼上半圓，上端始于距機坑里襯（座環(huán)）1.25～2.5 m處，下端至腰線（安裝高程）以下0°～30°處。

對于墊層平面鋪設范圍，有限元計算表明[16-17]，隨著墊層平面鋪設范圍的增大，鋼筋應力顯著降低，混凝土損傷范圍逐漸減少，但易導致座環(huán)的剪切變形增大。目前科研人員對于墊層平面的鋪設范圍未有定論，工程上依然較多地采用傳統(tǒng)鋪設范圍。

對于立面鋪設范圍，有限元計算表明[7]，墊層鋪設范圍越廣，金屬蝸殼應力越大，外圍混凝土應力越小。但對實際工程進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，墊層上端與基坑里襯的距離并不是越小越好，而是與蝸殼半徑有線性相關性。對于不同尺寸的同一位置的蝸殼立面而言，蝸殼立面半徑越大，墊層上端與機坑里襯的距離越大。以蝸殼進口段為例，統(tǒng)計分析見圖1（R2為確定系數(shù)）。

實際上，座環(huán)與金屬蝸殼是焊接在一起的，導致該處容易產生應力集中，如果繼續(xù)在該處鋪設墊層，會增加金屬蝸殼承擔內水壓力的比例，對結構受力不利。因此，鋪設墊層時其上端與機坑里襯之間需要留出一定的安全距離。

另外，對于墊層末端的鋪設范圍，有限元研究表明[7-8]，墊層范圍鋪至腰線處，易產生應力集中現(xiàn)象，因此墊層范圍應適當延伸至腰線下的10°～30°，這樣做對改善腰線附近的混凝土受力有幫助。

3 墊層埋入法外圍混凝土結構設計研究

3.1 外圍混凝土結構設計方法探討

目前，國內工程人員在蝸殼外圍混凝土結構設計時主要采用平面框架簡化算法和三維有限元法。

（1）平面框架簡化算法。假定墊層將蝸殼和外圍混凝土完全分離，蝸殼外圍混凝土結構只承受結構自重和上部結構傳來的荷載，內水壓力全部由蝸殼承擔。將外圍混凝土蝸殼結構簡化為平面框架，即沿蝸殼水流方向切取單寬的等截面Г形鋼架（見圖2），計算時不考慮鋼架之間的約束作用。利用結構力學方法計算結構內力后再進行配筋計算和抗裂計算。

（2）三維有限元法。將金屬蝸殼、外圍混凝土、墊層作為整體模型來考慮（見圖3），通過施加外部荷載計算頂板和邊墻的最大拉應力，利用《水工混凝土結構設計規(guī)范》[18]中的拉應力圖形法進行配筋計算。然后根據(jù)配筋結果進行建模，將金屬蝸殼、外圍混凝土、墊層和鋼筋作為整體模型進行非線性復核計算，通過調整墊層參數(shù)，將金屬蝸殼、外圍混凝土及鋼筋應力的受力狀態(tài)調至最合理狀態(tài)。

目前，工程人員仍然較多采用第一種方法進行蝸殼外圍混凝土的結構設計，而第二種方法只是進行復核驗證。毫無疑問，第一種設計方法是安全的，但其未考慮結構的整體作用，往往配筋較多，鋼筋承受應力小[8]，不能充分發(fā)揮作用，另外這種方法沒有蝸殼外圍混凝土沿水流方向配筋的設計依據(jù)。而第二種方法將4種材料全部考慮在內，即4種材料聯(lián)合承載，并通過墊層參數(shù)的改變來控制金屬蝸殼和混凝土承擔內水壓力的比例，充分發(fā)揮金屬蝸殼的強度儲備，降低了鋼筋的配筋率[11]。因此，利用第二種方法指導蝸殼外圍混凝土結構設計十分必要。

3.2 鋼筋布置統(tǒng)計與分析

蝸殼外圍混凝土的鋼筋布置一般分為環(huán)向鋼筋和水流方向鋼筋，其中：環(huán)向鋼筋是蝸殼立面圍繞蝸殼布置的鋼筋，為受力鋼筋;沿蝸殼內水流方向布置的鋼筋為構造鋼筋。筆者統(tǒng)計了蝸殼進口段直徑大于6 m的蝸殼外圍混凝土配筋結果，數(shù)據(jù)表明，環(huán)向鋼筋較多采用雙層鋼筋，鋼筋直徑在32～36 mm之間，鋼筋間距為200 mm，單位寬度下配筋面積主要分布在9 650～18 321 mm2之間，見表4。

另外，筆者查閱了國內采用墊層埋入法的4座水電站（董箐、龍羊峽、龍灘和碧口）的蝸殼鋼筋應力實測資料，發(fā)現(xiàn)蝸殼周圍環(huán)向鋼筋最大應力[19-20]（分別為39.8、27.9、19.4、20.0 MPa）均不超過其屈服強度的10%，說明材料強度有很大富?？臻g，鋼筋使用嚴重浪費。

4 結 論

通過對國內采用墊層埋入法埋設蝸殼的水電站資料進行統(tǒng)計和分析，得出了以下結論：

（1）墊層埋入法已得到廣泛采用，且已應用在高水頭、大尺寸蝸殼結構上。

（2）墊層材料主要采用聚乙烯閉孔泡沫板和聚氨酯軟木兩種，且后者具有更好的材料性能。

（3）總結了目前較為普遍的墊層設計參數(shù)。墊層厚度一般取20～30 mm，墊層彈性模量取1.5～3.6 MPa，墊層平面布置鋪至轉角270°。墊層立面布置中，上端始于距機坑里襯1.25～2.50 m處，下端至腰線以下10°～30°處。對于不同尺寸的同一位置的蝸殼立面而言，蝸殼立面半徑越大，墊層上端與機坑里襯的距離越大。

（4）按照目前外圍混凝土結構設計方法進行配筋，實際鋼筋應力均不超過其屈服強度的10%，說明材料強度有很大富?？臻g。采用三維有限元法進行蝸殼外圍混凝土結構設計可以有效發(fā)揮金屬蝸殼的強度儲備，降低鋼筋的配筋率。

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【責任編輯 張華巖】