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

陈健明

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交范围；D代表的是厂房宽度；n代表的是接触面中节点的数量。

图1蜗壳断面示意图

按照相关设计规范中的内容，首先在正常工况下弹性静力的数值进行计算，通过计算结果得知，蜗壳混凝土应力分布较为均匀。由于混凝土与蜗壳之间的联合承受水压力数值较大，各个断面中环向应力与蜗线应力均属于拉力，尤其是在混凝土腰线45°以上的部分，环向拉应力的数值更大。在蜗壳进口直管中，8—9号断面由于管径的数值较大，环向应力的数值更大；1—7号断面的环向应力与蜗壳半径间的距离较小，且不断降低；在7号断面中，垫层的厚度较小，加上外包混凝土的厚度也较低，与前几个断面相比，环向应力的数值有所提升，但蜗线方向仍受拉力的影响，因此整体应力数值不高，具体的断面情况如下图1所示。

按照弹性计算结果可知蜗壳混凝土的应力情况，对各个断面中配筋截面的合力T进行计算，再按照相关结构规定中的内容，对混凝土结构进行合理的设计，按照拉应力图形法完成配筋。按照计算结果，在8—9号断面中，由于管径大小较大，混凝土厚度较薄，环向配筋面积增加，在腰部、底部位置上的混凝土配筋面积均大于10000mm2/m，因此配置3层规格

为的钢筋，使其强度与工程规定相符合；对于1—7号断面来说，其断面的直径大小与混凝土配筋数量成正比关系，当断面直径不但减少时，配筋数量也随之减小，对此，可采用2层钢筋，使其强度与规定相符合；在蜗线方面，按照构造要求合理选择钢筋即可[3]。

结论：综上所述，本文对某水电站的实际运行情况进行分析，并从参数敏感性方面，对该水电站的主要垫层参数进行设置，提出非线性弹性计算法，对垫层方案进行优化，使该水电站中蜗壳结构设计更加合理可行。

参考文献：

[1]沈怀至.水电站蜗壳、垫层及周边混凝土受力特性分析[D].天津大学，2016.

[2]张嘉.水电站垫层蜗壳数值模拟方法研究[D].西安理工大学，2017.

[3]伍鹤皋，申艳，蒋逵超，等.大型水电站垫层蜗壳结构仿真分析[J].水力发电学报，2017，26（2）：32-36.

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信号。

4自动喷水灭火系统

（1）地下车库的危险等级为中危险II级，设计流量约为28L/s，采用预作用自喷系统。11#居住公共服务设施危险等级为中危险I级，设计流量约为21L/s，采用湿式自喷系统。

（2）设置范围：除别墅内、楼梯间、卫生间、电气机房、游泳池及不能用水扑救的场所外，其余均设有自动喷淋头保护。

（3）本系统为临时高压给水系统，平时系统压力由相邻地块屋顶消防水箱及增压稳压设备维持。

（4）系统竖向不分区，由一组自喷消防泵供水，一用一备。

（5）水流指示器：每层每个防火分区均设水流指示器和电触点信号阀，并在靠近管网末端设DN25的试水阀。

（6）水泵接合器：自动喷水水量30L/S，在室外设置2个DN150地下式水泵接合器，均位于室外消火栓15～40m范围内，供消防车向室内自动喷水灭火系统补水用。

（7）本地块报警阀组压力开关直接连锁启动自动喷水系统加压泵。

（8）报警阀组、信号阀和各层水流指示器动作讯号将显示于消防控制中心。

（9）湿式自动喷水灭火系统

a）平时自动喷水灭火系统压力由相邻地块屋顶消防水箱及稳压装置保证

b）当湿式报警阀前压力开关动作时，启动自喷消防泵

c）消防控制中心可直接启、停任何一台泵。每台泵的运行工况均在消防控制中心显示。

（10）预作用自动喷水灭火系统

a）报警阀后充水时间不大于2分钟。

b）采用报警阀后充低压气体，与湿式系统共用消防泵组，报警阀后分开。

c）两路火灾探测器都发出信号后自动开启预作用报警阀上的电磁阀，阀上的压力开关动作自动启动喷淋加压泵。系统转为湿式系统。在喷头未动作之前，如消防中心确认是误报警，手动停止加压泵，恢复预作用状态。

d）预作用报警阀后管网平时充满0.03MPa～0.05MPa低压气体，空压机维持压力。空压机启动压力0.03MPa，停机压力0.05MPa。当加压泵启动时空压机停机，同时管网未端快速排气阀前的电动阀自动开启。

e）消防控制中心远程手动开启预作用报警阀上的电磁阀。

f）现场手动打开放水阀使预作用报警阀开启。

四节水、节能及防涝设计

1节水和节能

（1）给水、热水采用相同供水分区，保持冷、热水供水压力的平衡。

（2）集中热水供应系统设循环系统，循环管道同程布置，尽量缩短不循环配水支管的长度。

（3）室内冲厕、车库冲洗和绿化及景观用水均利用中水。绿化采用微喷或滴灌等节水灌溉方式。

（4）卫生器具及配件：采用两档式冲水的3/5L水箱坐便器，公共卫生间洗手盆水龙头采用感应式水龙头，做到人走水停。冲洗阀和感应龙头的水压控制在0.20MPa以内，控制一次冲水量。

（5）生活热水采用太阳能预热，节省常规能源消耗。

2雨水防涝

（1）以工程建设后不增加建设区域内雨水径流量和外排水总量为标准。

（2）屋面14860m2，绿化面积5546.7m2，下凹绿地面积6779.3m2，透水铺装面积12525m2。收集屋面和路面雨水，项目总汇水面积为39710m2，设计重现期3年。

（3）室外设1座450m3雨水收集池，作为雨水径流高峰流量调蓄设施，超过雨水蓄水池设计能力的降雨通过溢流管排至市政雨水管道。外排雨水流量径流系数0.27，外排雨水总量1173m3，外排雨水峰值流量不大于市政管网的接纳能力，雨水收集池排空时间不超过12h。

五结论

1本地块采用无动力太阳能系统，其系统原理为：集热器采用全玻璃真空管式，太阳能集热水箱集合在全玻璃真空管上方，太阳能集热水箱内做盘管，自来水流经盘管后加热到所需的温度，供给到所用区域。无动力太阳能系统，相比于常规太阳能系统，可以优化常规太阳能系统设计形式，减少甚至取消单独的太阳能集热水箱，减少太阳能机房的设置面积，做到更加的节省空间，减少太阳能无效的热损失，更加节能，系统也更为简洁。

2排水系统中设置伸顶通气管，需要结合项目屋面的具体形式。本项目别墅屋面为斜屋面与平屋面的结合，通气立管需尽量从平面图穿出，或者与斜屋面上排风系统的出风口相结合，合并成一个烟囱排出屋面，以免单独的通气管伸出屋面、而影响建筑立面的效果。

3本地块室外设1座450m3雨水收集池，作为雨水径流高峰流量调蓄设施，超过雨水蓄水池设计能力的降雨通过溢流管排至市政雨水管道，外排雨水峰值流量不大于市政管网的接纳能力。

4消防系统与相邻的地块合用，本地块可不设置消防泵房，优化了此地块的建筑布局，节省不少建筑空间。设计过程中，也减少了不少泵房的设计工作。只是，合用消防泵房前，需要对双方地块的功能、设计标准做统筹的安排，以免出现前后设计标准不统一，而更改前后设计成果的问题。

参考文献：

[1]《建筑给水排水设计规范》GB50015-2009.

[2]《消防给水及消火栓系统设计规范》GB50974-2014.

[3]《建筑给水排水设计手册（第二版）》中国建筑设计研究院主编.