水电站蜗壳垫层结构研究

水电站蜗壳结构局部垫层平面设置范围探讨孙海清;伍鹤皋;李杰;赵晓峰【期刊名称】《四川大学学报（工程科学版）》【年(卷),期】2011(043)002【摘要】为分析水电站蜗壳结构中局部垫层的平面设置范围,采用ABAQUS软件对一水电站蜗壳结构进行了3维非线性有限元计算.研究结果表明:蜗壳结构中局部垫层平面范围分别自蜗壳直管段进口铺至下游45°、90°和135°断面时,垫层铺设范围越大,改善蜗壳外围混凝土结构受力状况的效果越显著,但垫层铺至45°断面时完全能有效限制混凝土裂缝宽度的开展和减小机墩不均匀上抬位移.此外,垫层平面范围铺至45°断面时,座环所承受剪力相比完伞直埋方案增幅最小,有利于结构稳定.鉴于以上分析,且从简化施工程序角度考虑,水电站蜗壳结构中局部垫层平面范围铺至45°断面是值得推荐的.【总页数】6页(P39-44)【作者】孙海清;伍鹤皋;李杰;赵晓峰【作者单位】武汉大学,水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北,武汉,430072;武汉大学,水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北,武汉,430072;中国水电顾问集团,成都勘测设汁研究院,四川,成都,610072;中国水电顾问集团,成都勘测设汁研究院,四川,成都,610072【正文语种】中文【中图分类】TV731【相关文献】1.某水电站垫层蜗壳平面铺设范围的影响研究 [J], 匡会健2.垫层铺设范围对水电站蜗壳结构特性的影响分析 [J], 彭越尧;黄鹏;胡馨之3.基于欧洲标准的水电站垫层蜗壳结构三维有限元分析 [J], 吕文龙;王树平;赵群章4.某水电站垫层蜗壳结构受力特性研究 [J], 刘明华; 洪佳敏; 倪绍虎; 吕慷; 郑海圣5.白鹤滩水电站垫层蜗壳结构设计 [J], 陈鹏;伍鹤皋;方丹;万祥兵因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

㊀收稿日期：２０１９－０１－１０㊀作者简介：王家明（１９８８ ），男，陕西西安人，工程师，硕士，研究方向为水工结构㊀Ｅ⁃ｍａｉｌ：８４２８５６３４２＠ｑｑ．ｃｏｍʌ工程勘测设计ɔ垫层埋入法蜗壳结构设计的统计分析与研究王家明１，马㊀青２（１．陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西西安７１０１００；２．中国电建集团贵阳勘测设计研究院，贵州贵阳５５００８１）摘㊀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㊁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 ３０ｍｍ，垫层弹性模量取１．５ ３．６ＭＰａ，垫层平面布置从蜗壳进口起始铺至转角２７０ʎ，垫层立面布置上至机坑里衬１．２５ ２．５０ｍ㊁下至腰线以下１０ʎ ３０ʎ㊂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；ＴＶ７４１㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２１．０１．０２６㊀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．ＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＤｅｓｉｇｎｏｆＳｐｉｒａｌＣａｓｅｗｉｔｈＣｕｓｈｉｏｎＥｍｂｅｄｄｉｎｇＭｅｔｈｏｄＷＡＮＧＪｉａｍｉｎｇ１，ＭＡＱｉｎｇ２（１．Ｈａｎｊｉａｎｇ⁃ｔｏ⁃ＷｅｉｈｅＲｉｖｅｒＶａｌｌｅｙＷａｔｅｒＤｉｖｅｒｓｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ ａｎ７１０１００，Ｃｈｉｎａ；２．ＰｏｗｅｒＣｈｉｎａＧｕｉｙａｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５００８１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｕｍｕｐａｎｄｒｅｆｉｎｅｆｕｒｔｈｅｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｐｉｒａｌｃａｓｅｂｙｃｕｓｈｉｏｎｅｍｂｅｄｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓｐａ⁃ｐｅｒｍａｄｅａｌｏｔｏｆｓｔａｔｉｓｔｉｃｓａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｗｉｔｈｃｕｓｈｉｏｎｅｍｂｅｄｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｎＣｈｉｎａ．Ｉｔｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｕｓｈｉｏｎｅｍｂｅｄｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈｅｕｎｉｖｅｒｓａｌａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｕｓｈｉｏｎｅｍｂｅｄｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｎｈｉｇｈｈｅａｄａｎｄｌａｒｇｅｓｉｚｅｏｆｓｐｉ⁃ｒａｌｃａｓｅ．Ｉｔｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｕｓｈｉｏｎｌａｙｅｒｓｗｈｉｃｈｗｅｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ２０ｔｏ３０ｍｍｔｈｉｃｋ，１．５ｔｏ３．６ＭＰａｅｌａｓ⁃ｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓ，ｆｒｏｍｓｐｉｒａｌｃａｓｅｉｎｌｅｔｔｏ２７０ʎｓｅｃｔｉｏｎｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｅｃｔｉｏｎｌａｙｉｎｇｓｃｏｐｅａｎｄｂｅｇｉｎｎｉｎｇｆｒｏｍ１．２５ｔｏ２．５０ｍｏｆｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｃｕｓｈｉｏｎａｎｄｐｉｔｌｉｎｉｎｇａｎｄｄｏｗｎｔｏ１０ʎｔｏ３０ʎｂｅｌｏｗｔｈｅｗａｉｓｔｌｉｎｅｏｆｖｅｒｔｉｃａｌｓｅｃｔｉｏｎｌａｙｉｎｇｓｃｏｐｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｕｓｈｉｏｎｅｍｂｅｄｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；ｃｕｓｈｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ㊀㊀蜗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㊂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㊂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］㊂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㊁垫层末端易产生应力集中且易老化㊂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㊂付红霞等［７－８，１０］对垫层材料㊁厚度㊁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㊂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㊂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㊁垫层设计参数及外围混凝土结构设计进行系统总结㊂１㊀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１㊂垫层埋入法应用起步阶段，国内建设的新安江㊁刘家峡和碧口水电站采用了垫层蜗壳，但出现了一些问题㊂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］㊂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㊂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㊃３３１㊃第４３卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀人㊀民㊀黄㊀河㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．１㊀㊀２０２１年１月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＹＥＬＬＯＷ㊀ＲＩＶＥＲ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｊａｎ．，２０２１㊀㊀力特点㊁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㊂表１㊀采用垫层埋入法的应用情况统计电站名称开工年份单机容量／万ｋＷ新安江１９５７７．２５刘家峡１９５８２２．５碧口１９６９１０凤滩１９７０１０龙羊峡１９７６３２小浪底１９９１３０岩滩１９９２３０三峡１９９４７０李家峡１９９７４０龙滩２００１７０戈兰滩２００３１５董箐２００５２２拉西瓦２００６７０向家坝２００６８０溪洛渡２００７７７白鹤滩２０１３１００㊀㊀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２㊂表２㊀蜗壳埋设方式统计电站名称装机容量／万ｋＷ直埋法充水保压埋入法垫层埋入法官地２４０ɿ梨园２４０ɿ金安桥２４０ɿ大岗山２６０ɿ长河坝２６０ɿ构皮滩３００ɿ锦屏一级３６０ɿ瀑布沟４２６ɿ拉西瓦４２０ɿ小湾４２０ɿ锦屏二级３６０ɿ糯扎渡５８５ɿ龙滩６３０ɿ向家坝７７５ɿ白鹤滩１２５０ɿ溪洛渡１３８６ɿ㊀㊀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㊂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２８７ｍ㊁蜗壳进口直径为７．２ｍ的溪洛渡水电站，最大水头为３４０ｍ㊁蜗壳进口直径为８．６ｍ的白鹤滩水电站等均采用了垫层埋入法㊂可见，这种埋设方法已成为目前国内大型㊁巨型电站的首选方法㊂２㊀垫层设计参数的统计与分析２．１㊀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３㊂表３㊀垫层材料统计电站名称开工年份聚氨酯软木聚乙烯闭孔泡沫板聚苯乙烯泡沫板油毡锯末㊁沥青㊁焦油软木聚苯乙烯㊁沥青㊁油毡新安江１９５７ɿ刘家峡１９５８ɿ龙羊峡１９７６ɿ小浪底１９９１ɿ岩滩１９９２ɿ三峡１９９４ɿ李家峡１９９７ɿ龙滩２００１ɿ戈兰滩２００３ɿ董箐２００５ɿ拉西瓦２００６ɿ果多２０１２ɿ白鹤滩２０１３ɿ㊀㊀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㊂而研究成果表明［１５］，聚氨酯软木在力学性质㊁材料老化后性能㊁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㊂２．２㊀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㊂数据显示，垫层厚度的取值范围为２０ ３０ｍｍ，垫层弹性模量的取值范围为１．５ ３．６ＭＰａ㊂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㊁垫层弹性模量越小，对提高金属蜗壳分担内水压力比例㊁改善外围混凝土受力状态有一定帮助，但当垫层厚度以１ｃｍ或弹性模量以１ＭＰａ为单位变动时，金属蜗壳和外围混凝土的应力改变微小㊂一些学者也得到了同样的结论［７－８］㊂２．３㊀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１３５ʎ ２８０ʎ之间，绝大多数都采用传统垫层范围，即铺至转角２７０ʎ；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 ２．５ｍ处，下端至腰线（安装高程）以下０ʎ ３０ʎ处㊂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㊂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㊂㊃４３１㊃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㊂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㊂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㊂以蜗壳进口段为例，统计分析见图１（Ｒ２为确定系数）㊂图１㊀蜗壳进口段直径与垫层上端铺设起点统计分析实际上，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㊂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㊂另外，对于垫层末端的铺设范围，有限元研究表明［７－８］，垫层范围铺至腰线处，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１０ʎ ３０ʎ，这样做对改善腰线附近的混凝土受力有帮助㊂３㊀垫层埋入法外围混凝土结构设计研究３．１㊀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㊂（１）平面框架简化算法㊂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㊂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㊂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㊂（２）三维有限元法㊂将金属蜗壳㊁外围混凝土㊁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㊂然图２㊀蜗壳外围混凝土等截面Г形钢架后根据配筋结果进行建模，将金属蜗壳㊁外围混凝土㊁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㊁外围混凝土及钢筋应力的受力状态调至最合理状态㊂图３㊀三维有限元模型目前，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㊂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㊂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］㊂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㊂３．２㊀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㊂笔者统计了蜗壳进口段直径大于６ｍ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 ３６ｍｍ之间，钢筋间距为２００ｍｍ，单位宽度下配筋面积主要分布在９６５０ １８３２１ｍｍ２之间，见表４㊂另外，笔者查阅了国内采用垫层埋入法的４座水电站（董箐㊁龙羊峡㊁龙滩和碧口）的蜗壳钢筋应力实㊃５３１㊃测资料，发现蜗壳周围环向钢筋最大应力［１９－２０］（分别为３９．８㊁２７．９㊁１９．４㊁２０．０ＭＰａ）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㊂表４㊀蜗壳外围混凝土环向单位宽度配筋面积统计电站名称蜗壳进口段直径／ｍ最大配筋面积／ｍｍ２最大钢筋直径／ｍｍ钢筋间距／ｃｍ钢筋层数备注拉西瓦６．８９６５０３２２０２溪洛渡７．２１８３２１３６２０２局部加强李家峡８．０１３３４５３２２０３白鹤滩８．６１８３２１３６２０３龙滩８．７１２２１４３６２０２黄金坪９．２４８２５３２２０１岩滩１０．８１２２１４３２２０２三峡１２．４１４２５０３６１５２局部加强４㊀结㊀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㊁大尺寸蜗壳结构上㊂（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㊂（３）总结了目前较为普遍的垫层设计参数㊂垫层厚度一般取２０ ３０ｍｍ，垫层弹性模量取１．５ ３．６ＭＰａ，垫层平面布置铺至转角２７０ʎ㊂垫层立面布置中，上端始于距机坑里衬１．２５ ２．５０ｍ处，下端至腰线以下１０ʎ ３０ʎ处㊂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㊂（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㊂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㊂参考文献：［１］㊀国家能源局．水电站厂房设计规范：ＮＢ／Ｔ３５０１１ ２０１６［Ｓ］．北京：中国电力出版社，２０１７：３３．［２］㊀阳芳，伍鹤皋．大型水轮机蜗壳结构动静力分析［Ｊ］．武汉大学学报（工学版），２００４（５）：４６－４９．［３］㊀秦亮，练继建，郑伟．大型水电站厂房蜗壳结构形式研究［Ｊ］．中国农村水利水电，２００６（１）：７０－７２．［４］㊀陈婧，张云良，马震岳，等．不同埋设方式下巨型水轮机蜗壳结构动力特性研究［Ｊ］．大连理工大学学报，２００７（７）：５９３－５９７．［５］㊀张启灵，伍鹤皋，黄小艳，等．大型水电站不同埋设方式蜗壳结构分析［Ｊ］．水力发电学报，２００９，２８（３）：８５－８９．［６］㊀欧阳金惠，陈厚群，张超然．大型水电站蜗壳埋设方式对厂房振动的影响分析［Ｊ］．水力发电学报，２０１２，３１（４）：１６２－１６６．［７］㊀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］㊀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．［９］㊀张启灵，伍鹤皋．水电站垫层蜗壳结构研究和应用的现状和发展［Ｊ］．水利学报，２０１２，４３（７）：８６９－８７５．［１０］㊀陈婧，姚锋娟，马震岳．垫层对厂房结构动力特性的影响［Ｊ］．水电能源科学，２０１０，２８（４）：８６－８９．［１１］㊀樊熠玮，张恩宝．黄金坪水电站蜗壳与弹性垫层结构研究［Ｊ］．水力发电，２０１６，４２（３）：３９－４３．［１２］㊀严成斌，雷声军，金健，等．水电站混凝土蜗壳结构不同计算方法对比分析［Ｊ］．四川水利，２０１７（５）：１００－１０２．［１３］㊀陈鹏，伍鹤皋，方丹，等．白鹤滩水电站垫层蜗壳结构设计［Ｊ］．中国农村水利水电，２０１８（３）：１６１－１６５．［１４］㊀黄家然．碧口水电站厂房钢蜗壳和外围混凝土结构实测应力状态分析［Ｊ］．西北水电技术，１９８２（００）：５８－６３．［１５］㊀甘启蒙．聚氨酯软木垫层材料在水电站的应用［Ｊ］．水力发电，２００８，３４（１２）：１０７－１０９．［１６］㊀刘波，伍鹤皋，薛鹏，等．垫层铺设范围对水电站蜗壳受力特性的影响［Ｊ］．华中科技大学学报（自然科学版），２０１０，３８（９）：１２０－１２４．［１７］㊀孙海清，伍鹤皋，李杰，等．水电站蜗壳结构局部垫层平面设置范围探讨［Ｊ］．四川大学学报（工程科学版），２０１１，４３（２）：３９－４３．［１８］㊀国家能源局．水工混凝土结构设计规范：ＤＬ／Ｔ５０５７ ２００９［Ｓ］．北京：中国电力出版社，２００９：２２１－２２２．［１９］㊀中国电建集团贵阳勘测设计研究院．董箐水电站２０１３年监测资料整编报告［Ｒ］．贵阳：中国电建集团贵阳勘测设计研究院，２０１３：８０－８１．［２０］㊀伍鹤皋，马善定，秦继章．大型水电站蜗壳结构设计理论与工程实践［Ｍ］．北京：科学出版社，２００９：３０４－３２８．ʌ责任编辑㊀张华岩ɔ㊃６３１㊃。

某水电站垫层蜗壳结构静力受力特性分析摘要：通过利用ANSYS结构分析程序研究某水电机组垫层蜗壳结构在静力荷载作用下的受力特性，对蜗壳结构应力和位移的计算分析，得出蜗壳结构在不同的垫层弹性模量和不同的垫层包角情况下的应力和位移变化规律。

设置垫层处的钢衬可以有较大的变形空间，所以可以承担更大的水压力，以减少蜗壳外围混凝土承担的水压力，减小混凝土开裂，有效发挥钢衬的抗拉作用。

仅供工程设计参考。

关键词：蜗壳；垫层；静力荷载；钢衬引言目前，国内外大型水电站钢蜗壳结构设计形式主要有三种[1]：（1）钢蜗壳外直接浇筑混凝土，既不设垫层也不充水预压；（2）钢蜗壳在充水预压状态下浇筑外围混凝土；（3）钢蜗壳上部一定范围内铺设垫层后浇筑外围混凝土。

我国已建、在建和设计中的水电站蜗壳，许多采用了第三种结构形式。

这种形式的优点在于，可以减少钢蜗壳向外围钢筋混凝土结构传递的内水压力，充分发挥钢衬的承载力，改善蜗壳外围混凝土的应力状态，提高其抗裂安全度。

本文利用ANSYS结构分析程序对水电站蜗壳进行整体静力有限元分析，研究在静力荷载作用下蜗壳结构的受力特性，通过对蜗壳结构应力和位移的计算分析，得出蜗壳结构在不同的垫层弹性模量和不同的垫层包角情况下的应力和位移变化规律。

当蜗壳结构设有垫层时，设置垫层处的钢衬可以有较大的变形空间，所以可以承担更大的水压力，以减少蜗壳外围混凝土承担的水压力，可以减小混凝土开裂，有效发挥钢衬的抗拉作用。

1.基本资料1.1工程概况某工程水电站最大坝高250m，坝顶中心长度459.64m。

水库正常蓄位为▽2452m，死水位▽2440m，总库容10.79×108m3，调节库容1.5×108m3。

电站总装机容量4200MW（6×700MW），保证出力990MW，额定发电水头205m，多年平均发电量102.23×108kW?h。

水电站厂房钢蜗壳进口直径R=6.42m，其圆距机组中心线8.6m，钢板厚6cm；座环上下环板厚20cm。

水电站厂房蜗壳结构静动力分析随着科技的不断进步，水电站建设已经成为国家重点发展的产业之一。

在水电站的建设中，厂房的蜗壳结构静动力分析是一项非常重要的工作，对于水电站的运行和安全具有非常重要的意义。

本文就水电站厂房蜗壳结构静动力分析进行详细的介绍。

1.蜗壳结构的组成水电站厂房的蜗壳结构由壳体、支撑、轴承和润滑系统组成。

其中，壳体是由一系列弯曲的叶片组成的，支撑用以支持转子的重量，轴承用于支持转轴，润滑系统则是为了减少摩擦力和摩擦热。

2.厂房蜗壳结构的静力分析静力分析是水电站厂房蜗壳结构设计的重要环节。

在静力分析中需要考虑的因素包括扭矩、力矩、剪力和弯矩等。

静力分析的目的是确定蜗壳结构在正常工作情况下的状态，以及蜗壳受到外力或内力时的变形范围、承载能力和破坏条件。

3.厂房蜗壳结构的动力分析除了静力分析之外，水电站厂房蜗壳结构还需要进行动力分析。

与静力分析不同的是，动力分析必须考虑蜗壳结构动态载荷和蜗壳结构的固有频率。

在动力分析中，需要确定蜗壳结构的共振频率，以及在这个频率或其附近出现的共振现象。

此外，还需要考虑蜗壳结构受到工作液体流动的影响，因为流体流动会引起厂房的振动和噪音。

4.厂房蜗壳结构分析的方法在水电站厂房蜗壳结构静动力分析过程中，需要使用一些特定的软件和工具。

静力分析可以使用有限元分析软件进行模拟计算。

动力分析则需要使用计算流体力学软件进行计算，并结合实验数据进行分析。

此外，在实际建设过程中，还需要进行一些结构测试，以确保厂房中的蜗壳结构的强度和稳定性。

5.总结在水电站建设中，厂房蜗壳结构静动力分析是非常重要的一项工作。

静力分析旨在确定蜗壳结构在正常工作情况下的状态，动力分析则需要考虑蜗壳结构动态载荷和流体流动对蜗壳结构的影响。

建设者可以使用有限元分析软件和计算流体力学软件进行分析和计算，结合实验数据进行优化。

通过分析蜗壳结构的强度和稳定性，可以确保水电站的运行和安全。

大型水电站充水预压蜗壳结构优化分析研究李文富1李文逸2霍红11、概述随着国内外大型常规电站和抽水蓄能电站的兴建，蜗壳的HD（H是指蜗壳承受的压力，D是指蜗壳进口断面的直径）值急剧增长，蜗壳日趋向巨型和超巨型化发展。

单机容量的增加虽然降低了水轮机的成本，但随之引起了一系列问题。

仅就高水头、大容量混流式水轮机蜗壳结构而言，其总重量达数百吨，钢板厚度超过了60mm以上，致使蜗壳结构在设计、制造、成型、安装等方面出现了一系列难以解决的问题。

联合承载结构可充分发挥外围钢筋混凝土的潜力，达到减薄钢板厚度、改善蜗壳应力状态的目的，收到安全和经济的双重效果。

因此，联合承载结构是发展高水头、大容量混流式水轮机组蜗壳结构设计的一种新途径。

在建设单机容量700MW左右的电站中，根据国内外工程经验，大都采用充水预压或直接浇筑钢蜗壳外围混凝土的蜗壳结构形式，而且尤以充水预压方式为主。

充水预压蜗壳即钢蜗壳在充水预压状态下浇筑外包混凝土形成的联合承载结构，其结构特点就是在钢蜗壳内加一定水压后浇筑外围混凝土，混凝土凝固过程中保持这一水压力，由于充水预压，钢蜗壳发生了弹性膨胀，待混凝土凝固后，钢蜗壳中的水压撤去，钢蜗壳则恢复到初始形状，这样就在钢蜗壳与外围混凝土之间产生了预压缝隙。

因此，电站正常运行后，当蜗壳内水压力低于埋置钢蜗壳时预加的水压时，钢蜗壳与外围混凝土未接触，内水压力全部由蜗壳钢衬承担，而当蜗壳内水压力高于埋置钢蜗壳时预加的水压时，钢蜗壳与外围混凝土相接触，高出的那部分水压由蜗壳钢衬和外围混凝土共同承担；其运行特点在于，机组运行时，钢蜗壳能紧贴外围混凝土，使得座环、蜗壳和外围大体积混凝土结合成整体，增加了机组的刚性，能避免钢蜗壳在运行时承受动水压力的交变载荷和因此产生的变形，增加了混凝土的抗疲劳性能；同时，依靠外围混凝土减少蜗壳及座环的扭曲变形，从而减少机组振动和变形，有利于机组的稳定运行。

因此，这种结构形式在大型水电站机组和抽水蓄能电站机组中得到了广泛的应用。

浅谈水电站厂房蜗壳结构静动力随着社会经济的快速发展，电力资源越来越紧缺，一大批水电工程开始陆续建立起来，水电开发不仅为工业和农业生产提供了能源，同时因为燃煤带来的污染等相关问题也得到了缓解，还大大促进了旅游、航运以及水产等相关项目的发展，在水利枢纽中水电站厂房是非常重要的组成部分之一，因此其安全性问题逐渐引起了人们的重视。

1蜗壳结构的埋设方式蜗壳结构在计算过程中往往要与某种蜗壳埋设方式相结合，现阶段我国主要采用的结构形式有三种：第一，将软垫层铺设在钢蜗壳外上部的相应范围内，然后将其外围浇筑混凝土，形成垫层蜗壳；第二，在充水保压的状态下，钢蜗壳外围浇筑了一层混凝土之后形成保压蜗壳；第三，直接将混凝土浇筑在刚蜗壳上，不设置垫层或者充水保压，混凝土和蜗壳共同承载，这样就形成了直埋蜗壳。

通过对国内外大量工程实践的总结分析可以看出，以上三种蜗壳结构形式各有优缺点，目前都有广泛的应用。

笔者认为，充分借助有限元等现代数值分析法，可以基本上解决蜗壳结构静力上存在的强度与变形等相关问题。

2厂房蜗壳动力分析的有关内容蜗壳结构的动力分析并不是利用静力分析的那套理论，必要条件下需要选取厂房整体或者一部分岩石来进行分析。

目前动力分析的研究主要集中在下面几方面：首先，弹性模量、范围选择等垫层参数对厂房整体及蜗壳局部动力特征的影响；其次，在一系列内源激烈作用的影响下，三种埋设方式的厂房蜗壳动力反应特点分析和研究；第三，直埋蜗壳因为流道内压力而引起蜗壳外围混凝土内贯穿性损伤及分裂的存在，对厂房和机组运行稳定性造成的影响等等。

通过大量实践研究发现，蜗壳的埋设方式并不会对厂房及蜗壳整体刚度带来太大的影响，也不会控制機组运行的稳定性。

3水电站厂房蜗壳结构静动力分析的主要问题分析本文以某水电站作为工程背景，针对厂房蜗壳结构展开静动力分析，通过对目前国内外研究情况的总结来看，我们可以通过以下几方面展开深入分析。

3.1垫层材料垫层材料主要应用在压力管道和蜗壳上，目前国内外已经针对其残余变形、疲劳、徐变应力性能等方面进行了较多研究，但是在机组振源、地震等动荷载影响下的动力非线性应力应变关系等方面还未开展研究。