蒙江双河口电站蜗壳外围混凝土结构配筋计算

肖 潇

（贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵州 贵阳 550002）

蜗壳是水电站重要的过流部件，将压力水流较均匀的引向水轮机，完成水势能向机械能的转换。在此过程中，蜗壳主要承受压力水流的拉应力。为保证水力发电安全，中、高水头电站一般采用金属蜗壳，外包钢筋混凝土[1～2]。由于金属蜗壳是薄壁结构，不适宜承受外压。为此需采取一定的结构措施，使外压全部由蜗壳的外围结构承担，即蜗壳外围混凝土结构配筋计算。

由于蜗壳外围混凝土配筋合理性直接关系到蜗壳乃至整个水电站的安全经济运行，故在《水电站厂房设计规范》等标准中均有所提及。但是在实际应用中，由于机组参数、厂房结构等情况的不同，蜗壳外围混凝土结构配筋计算仍存在一定的差异性。笔者在参考《水电站厂房设计规范》等的基础上，结合多年水电站厂房设计经验，以双河口水电站蜗壳外围混凝土结构配筋设计为例，探讨配筋计算与配筋施工中易被忽略的问题和解决方法，这不仅为水电站蜗壳设计与计算提供有益的参考依据，也为电站厂房施工与改造提供了理论依据，具有重要的学术价值和实用价值。

1 金属蜗壳外围钢筋混凝土结构配筋计算

1.1 计算截面的选取与计算简图

采用圆筒式机墩时，计算截面一般只取蜗壳进口处φ=00的最大截面，如图1所示1-1截面[3]。沿径向切取的计算截面如图2所示。г形刚架下端固结于弹性垫层底部的边墙上，内端可视为铰支于水轮机座环上。考虑结点刚性和剪切变形的影响，计算简图如图3所示。图中顶板和边墙的柔性段长度L、H取杆件的净跨长度，刚性段长度L1、H取结点宽度之半。

图2

图3

1.2 计算原则和基本假定

（1）蜗壳的外围结构不承受内水压力。机墩以及水轮机层传来的全部垂直外荷载由外围结构承受。

（2）外围结构是一空间整体结构，但简化为平面问题考虑，即在边墙中心周长上沿径向切取单位宽度，形成一等截面г形刚架，不考虑各г形刚架之间的约束作用；另外，考虑到外围结构的一、二期混凝土之间容易形成冷缝，为偏安全，г形刚架的截面厚度只考虑二期混凝土的厚度。

（3）不计算环向应力，但蜗壳外围结构实际上起整体受力作用，因此，环向应配置足够的构造钢筋。

（4）机墩传来的荷载不再考虑动力系数。（5）不考虑温度应力。

（6）蜗壳外围结构的混凝土允许开裂，但应限制裂缝开展宽度。

1.3 作用于蜗壳外围结构的荷载及其计算

外围结构上的荷载及其组合与机墩的型式和布置有关。当外围结构承受机墩传来的荷载时，以正常运行情况为外围结构的设计情况，这时荷载基本组合有机墩传来的荷载及外围结构自重，当机墩荷载不传到外围结构上时，以检修情况为设计情况，这时荷载基本组合中有水轮机层的均布设计活荷载及外围结构自重。

1.4 内力计算

考虑剪切变形和结点刚性影响时，必须在杆件形常数和载常数计算中计入剪切变形和结点刚度的影响。现以正常运行情况（采用圆筒式机墩）计算如下。

（1）计算简图及作用荷载如图4所示。图中Ab、bC为柔性段杆件，bB、Bb为刚性段杆件。

（2）载常数计算。在计算中柔性段和刚性段的杆端内力正、负符号规定：杆端弯矩以顺时针方向转动为正，杆端剪力以绕另一端顺时针转动为正。在静力平衡中各杆端内力应连同其正、负符号代入计算。

2 常见问题分析与改进

一般情况下，即h/L较小时为计算方便可直接按照上述步骤进行计算，其结果基本能满足工程精度要求。但是，当h/L比值较大时，依据材料力学理论，由剪切力引发的杆件变形较大，对杆件内部受力情况有较大的影响。在此情况下，应考虑杆件剪切变形以及杆件变形对厚壁与杆件结点处的刚性影响，一般认为，剪切变形的临界条件为：h/L＞1/5。

图4

通常认为：外围结构顶板和边墙的长度可由柔性段长度和刚性段长度两部分组成，如图3所示。在实际计算中，顶板和边墙长度较为明确，但是柔性段长度、刚性段长度却较含糊，相应说法较多，笔者认为顶板和边墙的柔性段长度 L、H的值可取为杆件的净跨长度，而刚性段长度 L1、H1可取为结点宽度之一半。另外，当边墙比顶板厚很多时，即边墙刚度比顶板刚度大 6～8倍时，沿径向切取单宽顶板可按一端铰支于水轮机座环（图3中的A端），另一端固结于边墙的梁计算（图3中的B端），此时，边墙可不计算。

由于蜗壳实际上是一空间整体结构，结构几何形状相对复杂，内部应力不仅与水压力等有关，与振动、蜗壳结构、温度、材料等因素也有较密切的联系，因此目前尚无较精确的计算方法。需要指出的是，对于小型电站的蜗壳而言，由于多采用近似方法计算，缺乏相应的模型试验及仿真模拟验证，其结果往往偏大，导致配筋往往偏安全。

由于金属蜗壳及其外围混凝土结构的复杂性，在施工中也存在一些需要关注的问题。

（1）弹性垫层保护：由于金属蜗壳一般由厂家成套供应，为保证蜗壳与外围结构分离的可靠性，施工中应注意不使弹性垫层遭受破坏。

（2）避免应力集中：金属蜗壳之外围混凝土所配“圈筋”在施工中不能在同一截面进行焊接，否则容易造成钢筋焊接处应力集中的现象，必须错开。

（3）配筋选型：外围结构的截面较厚，按计算所需受力钢筋数量一般不多，或按构造配筋；而在按构造配筋时，在跨度较大、厚度较薄的进口段，顶板径向及边墙竖向宜采用直径较大的钢筋，在出口段，可采用直径较小的钢筋。

3 工程实例

3.1 工程概况

双河口水电站位于贵州省罗甸县边阳镇交砚乡，是蒙江干流规划开发的第七级水电站，电站距边阳镇27km，距罗甸县城68km，距贵阳市145km，有边阳至交砚的区乡级公路通至距坝址区。电站工程规模为大（二）型，为不完全年调节水库，总库容1.928亿m3，兴利库容1.828亿m3，正常蓄水位580m，死水位为560m，调节库容为8520万m3，库容系数为 2.9%。电站装机 3台，电站总装机容量12万 kW。与上游梯级电站联合运行下，保证出力2.964万kW，多年平均年发电量4.591亿kW·h，装机利用小时数3830h[4]。

蜗壳至尾水肘管段全部为金属钢构件。蜗壳中心高程494.6m，进口接3.9m直径的压力钢管。蜗壳混凝土顶部高程为水轮机层497.4m。顶板混凝土最小厚约 1.18m。主机间内整个蜗壳高程范围均为C20二期钢筋混凝土（W4、F50），两侧及下游侧接一期水下墙。一二期之间均设置φ16@400的插筋。金属蜗壳下部的锥管段上游壁设置进人孔，上游侧二期混凝土内设1.2m宽、1.85m高的进人通道，蜗壳具体参数如下。

3.2 金属蜗壳外围钢筋混凝土结构配筋计算

综合考虑到第2节中说提出的问题，依据双河口电站蜗壳相应参数，其配筋计算如下：

实际按最小配筋率配筋。另外，随着国民经济高速发展和环境保护要求的严格，钢筋和水泥的生产要求也逐步提高，原有的低标号水泥和钢筋逐步被淘汰。因此，本工程蜗壳的外围混凝土采用C20，钢筋标号采用Ⅱ级钢筋。该设计方案已经应用于双河口水电站，并通过相关验收，蜗壳安全性完全符合设计规范要求。

4 结 论

在《水电站厂房设计规范》的基础上，总结多年蜗壳设计与计算经验，就蜗壳外围混凝土结构配筋计算与施工中常见的问题，比如剪切变形、柔性段取值、配筋选型等方面进行了探讨分析，并提出相应的解决方法，进而将其应用于双河口水电站蜗壳计算中，研究表明，通过该方法设计的蜗壳完全符合规范要求，这不仅为水电站蜗壳设计与计算提供有益的参考依据，也为电站厂房施工与改造提供了理论依据。

[1]陈坤,姚珍格,李柯君.小型水电站厂房.1993年8月,第二版.

[2]河海大学,大连理工大学,西安理工大学,清华大学合编.水工钢筋混凝土结构学.1996年10月第三版.

[3]孙训方,方孝淑,关来秦.材料力学.上下册,1994年9月,第三版.