水电站混凝土蜗壳设计探析

水电站混凝土蜗壳设计探析

覃德英

环江毛南族自治县供水供电总站广西壮族自治区547199

摘要：水电站为了提高运行稳定性、增加经济效益，经常会对混凝土蜗壳展开有效设计。本文将从某水电站的工程概况出发，对其混凝土蜗壳的设计进行分析与探究，希望为相关人员提供一些帮助和建议，更好地设计水电站的蜗壳。

关键词：蜗壳设计；混凝土蜗壳；水电站

引言

在水轮机中，蜗壳是十分重要的一个过流部件，设计的蜗壳质量高低会对水电机组整体工作效率产生直接影响，并且关系到水电站布置的科学性与合理性，这要求水电站应结合自身实际情况，寻找设计混凝土蜗壳的依据，展开有效的蜗壳设计。因此，研究设计混凝土蜗壳的策略具有一定现实意义。

一、工程概况

某水电站安装了300MW水轮发电混流式机组，共计六台，安装的水轮机高程是128米，水头设计为113米，额定转速为每分钟106r，额定流量是每秒295立方米，额定出力为305MW，直径为6米。其蜗壳的进口直径是7.3米，甩负荷压力的最大值是1.91兆帕，静水压力最大值为1.39兆帕。水电站中的一些机组设备通过世界银行进行贷款，借助国际招标工作，最终由相关企业承包并建造。在该水电站中，水轮发电的机组主要通过下机架进行支承，并将软垫层敷设于钢蜗壳的外部。所有内水的压力都能被钢蜗壳承担，内水压力的设计值是1.92兆帕，蜗壳混凝土结构仅能够承受楼板、水轮发电机等上部结构产生的重力荷载。

二、水电站机组的荷载

按照水电站布置的整体规定，连接机组和引水压力钢管的形式为一管一机。蜗壳的进口内径是7.1米，压力钢管的直径是7.7米，把连接段设置到钢蜗壳和钢管间。蜗壳钢板的厚度为20毫米至40毫米，厂房轴线和机组中心线存在11.5度的夹角。此钢蜗壳具有较为复杂的混凝土结构受力情况与尺寸体型，在设计结构过程中，对围岩的压力、内外水的压力、发电机组的荷载、结构的自重、风罩传递的荷载等基本荷载类型均有涉及，水轮机的总重量是10500千牛，发电机的总重量是18600千牛。

三、设计混凝土蜗壳的混凝土结构

在设计时，钢蜗壳断面使用了全埋型圆断面，安装的机组高程为128米，段长是26米，低于124米高程的部分宽23米，高出的部分宽25米。浇筑混凝土的工作一共分成两期，一期浇筑低于124米高程的尾水管与肘管结构，二期浇筑高于124米高程的蜗壳、层梁板、风罩、机墩及混凝土等结构。下半部分蜗壳埋于二次混凝土，借助下半圆混凝土具备的握裹能力使座环、钢蜗壳出现的扭转变形减小。将弹性垫层敷设于蜗壳的上半部分，以人为的形式增加混凝土和钢蜗壳的缝隙，让钢蜗壳先承受内水压力，在内水压力增加到一定程度后，能够使蜗壳膨胀，压缩垫底，从而让对应的压缩量应力通过垫层向混凝土传递。大量弹性理论的研究显示，这一应力值能够借助弹性垫层弹模及厚度的比值来进行控制，并且内水压力的十分之一左右会向外围混凝土传递。

四、设计混凝土蜗壳的强度

（一）结构计算

按照水电站设计厂房的有关规范，金属混凝土蜗壳通常选择0度和90度控制结构断面，并以┎形状的框架简图展开计算。在计算以前，先假设所有内水压力都由蜗壳进行承担，地面水轮机层荷载、传递的机墩荷载、结构自重等由混凝土结构来承担，并且荷载的基本组合为正常情况，不考虑混凝土干缩应力与温度应力。与此同时，还应假设水轮机的座环与混凝土框架的顶板相支撑，蜗壳混凝土下部和侧墙底部相固定。考虑到剖面、平面内部的蜗壳形状为变化状态，因此计算过程中的杆件长度将中心线当作基准，把刚性节点、剪切变形等影响考虑在内[1]。

（二）构建三维有限元的模型

按照厂房结构在地下的设计特征，将计算对象确定为2号的机组段，计算模型的宽度为27米。到压力钢管的下平段起点为止当作上游侧，到尾水管洞伸缩缝为止当作下游侧，计算模型的长度为100米。高程上取138米、下取59米，计算模型的高度为79米。假设与模型表面垂直的链杆能够限制模型四周，自由表面是混凝土的分缝面，固端约束是其地面。通过六面体八结点的单元进行混凝土结构与围岩模拟，借助杆单元进行固定导叶支撑功能的模拟，剖分的结点共有13564个，杆单元共有133个，六面体单元共有11235个。按照上述三维有限元的模型，对该水电站混凝土蜗壳整个尾水管结构展开有限元计算，将工况正常状态下的分析结果当作主要依据，不计入混凝土抗拉承载力，配置钢筋时根据弹性受拉应力的图形来进行。

（三）混凝土蜗壳的结构配筋

由于蜗壳混凝土具有10米以上的厚度，因此不能忽略温度应力，然而具体运行中的温度荷载极为复杂，目前这方面的计算理论仍未发展成熟。因此，在设计时对分层高度做出了严格的划分，在混凝土的内部增设相应降温设备与一些温度钢筋。与此同时，虽然做好了弹性垫层的铺设工作，但是内水应力依然有十分之一左右会向外围混凝土传递，导致混凝土出现环向屈服与径向屈服，通过有限元分析使这一点得以证明，因此需要选择环向配筋的方式[2]。

五、混凝土蜗壳的构造设计

（一）座环构造与灌浆

顶盖支撑环、座环二者与蜗壳间浇筑混凝土的区域相对狭小，而且在浇筑混凝土工作中属于封闭区，很难让其浇筑密实度获得理想效果。因此，应进行灌浆孔的预留，并在浇筑混凝土以后做好灌浆工作。应将八个灌浆孔预留在座环的下环，布置时确保其间距相等，确定的孔径是30毫米、灌浆压力是0.1兆帕。

（二）垫层施工工作

垫层材料需要有一定的泌水性、弯曲强度、冲击韧性与抗拉强度，确保垫层板没有损伤，整个垫层铺贴以后应密实、均匀、平整。粘接垫层以后需要采用一系列密实举措，为其均匀粘接提供便利，让垫层能够密实的结合，特别是要牢固地粘贴垫层周边。把机组正式投入到使用后，垫层、钢蜗壳二者的接缝内有时会出现渗透水与冷凝水，需要在蜗壳周边采取相应排水举措，让缝中积水保持无压的状态，从而使垫层作用能够正常发挥。

（三）浇筑外围的混凝土

本水电站中，混凝土蜗壳的外围混凝土具有较大的结构尺寸，其垂直方向的高度为9.8米，水平尺寸25.5米×26米。与此同时，外围混凝土具有复杂的结构几何形状，需要从下到上对蜗壳、顶盖支撑环及接力器坑等多种水机设备进行安装。在浇筑混凝土的过程中，确保其分层不分块，浇筑的速度需要低于每小时0.3米，遵循由蜗壳小端开始浇筑、逆时针下料的原则。由于外围混凝土有较大的体积，因此需要做好温度控制，确保入仓温度低于15摄氏度，最后分层浇筑并对蜗壳的下半圆进行灌浆。

结语

总而言之，研究设计混凝土蜗壳的策略具有重要的意义。相关人员应对当前混凝土蜗轮的概况有一个全面的了解，明确水电站机组的各项荷载参数，设计混凝土蜗壳的混凝土结构，构建三维有限元的模型，确定蜗壳结构配筋，并做好座环灌浆、垫层施工、浇筑外围混凝土等工作，从而有效完成水电站的蜗壳设计。

参考文献

[1]王佳妍,张宏战,马震岳.水电站预应力混凝土蜗壳锚索布置方案研究[J].水利与建筑工程学报,2018,16(03):228-234.

[2]李天述.锦屏二级水电站水轮机组蜗壳外包混凝土浇筑阶段变形特征分析[J].海峡科技与产业,2016，(09):106-107.