蒙江雙河口電站蝸殼外圍混凝土結構配筋計算

肖 瀟

（貴州省水利投資(集團)有限責任公司，貴州 貴陽 550002）

蝸殼是水電站重要的過流部件，將壓力水流較均勻的引向水輪機，完成水勢能向機械能的轉換。在此過程中，蝸殼主要承受壓力水流的拉應力。為保證水力發電安全，中、高水頭電站一般采用金屬蝸殼，外包鋼筋混凝土[1～2]。由于金屬蝸殼是薄壁結構，不適宜承受外壓。為此需采取一定的結構措施，使外壓全部由蝸殼的外圍結構承擔，即蝸殼外圍混凝土結構配筋計算。

由于蝸殼外圍混凝土配筋合理性直接關系到蝸殼乃至整個水電站的安全經濟運行，故在《水電站廠房設計規范》等標準中均有所提及。但是在實際應用中，由于機組參數、廠房結構等情況的不同，蝸殼外圍混凝土結構配筋計算仍存在一定的差異性。筆者在參考《水電站廠房設計規范》等的基礎上，結合多年水電站廠房設計經驗，以雙河口水電站蝸殼外圍混凝土結構配筋設計為例，探討配筋計算與配筋施工中易被忽略的問題和解決方法，這不僅為水電站蝸殼設計與計算提供有益的參考依據，也為電站廠房施工與改造提供了理論依據，具有重要的學術價值和實用價值。

1 金屬蝸殼外圍鋼筋混凝土結構配筋計算

1.1 計算截面的選取與計算簡圖

采用圓筒式機墩時，計算截面一般只取蝸殼進口處φ=00的最大截面，如圖1所示1-1截面[3]。沿徑向切取的計算截面如圖2所示。г形剛架下端固結于彈性墊層底部的邊墻上，內端可視為鉸支于水輪機座環上。考慮結點剛性和剪切變形的影響，計算簡圖如圖3所示。圖中頂板和邊墻的柔性段長度L、H取桿件的凈跨長度，剛性段長度L1、H取結點寬度之半。

圖2

圖3

1.2 計算原則和基本假定

（1）蝸殼的外圍結構不承受內水壓力。機墩以及水輪機層傳來的全部垂直外荷載由外圍結構承受。

（2）外圍結構是一空間整體結構，但簡化為平面問題考慮，即在邊墻中心周長上沿徑向切取單位寬度，形成一等截面г形剛架，不考慮各г形剛架之間的約束作用；另外，考慮到外圍結構的一、二期混凝土之間容易形成冷縫，為偏安全，г形剛架的截面厚度只考慮二期混凝土的厚度。

（3）不計算環向應力，但蝸殼外圍結構實際上起整體受力作用，因此，環向應配置足夠的構造鋼筋。

（4）機墩傳來的荷載不再考慮動力系數。（5）不考慮溫度應力。

（6）蝸殼外圍結構的混凝土允許開裂，但應限制裂縫開展寬度。

1.3 作用于蝸殼外圍結構的荷載及其計算

外圍結構上的荷載及其組合與機墩的型式和布置有關。當外圍結構承受機墩傳來的荷載時，以正常運行情況為外圍結構的設計情況，這時荷載基本組合有機墩傳來的荷載及外圍結構自重，當機墩荷載不傳到外圍結構上時，以檢修情況為設計情況，這時荷載基本組合中有水輪機層的均布設計活荷載及外圍結構自重。

1.4 內力計算

考慮剪切變形和結點剛性影響時，必須在桿件形常數和載常數計算中計入剪切變形和結點剛度的影響。現以正常運行情況（采用圓筒式機墩）計算如下。

（1）計算簡圖及作用荷載如圖4所示。圖中Ab、bC為柔性段桿件，bB、Bb為剛性段桿件。

（2）載常數計算。在計算中柔性段和剛性段的桿端內力正、負符號規定：桿端彎矩以順時針方向轉動為正，桿端剪力以繞另一端順時針轉動為正。在靜力平衡中各桿端內力應連同其正、負符號代入計算。

2 常見問題分析與改進

一般情況下，即h/L較小時為計算方便可直接按照上述步驟進行計算，其結果基本能滿足工程精度要求。但是，當h/L比值較大時，依據材料力學理論，由剪切力引發的桿件變形較大，對桿件內部受力情況有較大的影響。在此情況下，應考慮桿件剪切變形以及桿件變形對厚壁與桿件結點處的剛性影響，一般認為，剪切變形的臨界條件為：h/L＞1/5。

圖4

通常認為：外圍結構頂板和邊墻的長度可由柔性段長度和剛性段長度兩部分組成，如圖3所示。在實際計算中，頂板和邊墻長度較為明確，但是柔性段長度、剛性段長度卻較含糊，相應說法較多，筆者認為頂板和邊墻的柔性段長度 L、H的值可取為桿件的凈跨長度，而剛性段長度 L1、H1可取為結點寬度之一半。另外，當邊墻比頂板厚很多時，即邊墻剛度比頂板剛度大 6～8倍時，沿徑向切取單寬頂板可按一端鉸支于水輪機座環（圖3中的A端），另一端固結于邊墻的梁計算（圖3中的B端），此時，邊墻可不計算。

由于蝸殼實際上是一空間整體結構，結構幾何形狀相對復雜，內部應力不僅與水壓力等有關，與振動、蝸殼結構、溫度、材料等因素也有較密切的聯系，因此目前尚無較精確的計算方法。需要指出的是，對于小型電站的蝸殼而言，由于多采用近似方法計算，缺乏相應的模型試驗及仿真模擬驗證，其結果往往偏大，導致配筋往往偏安全。

由于金屬蝸殼及其外圍混凝土結構的復雜性，在施工中也存在一些需要關注的問題。

（1）彈性墊層保護：由于金屬蝸殼一般由廠家成套供應，為保證蝸殼與外圍結構分離的可靠性，施工中應注意不使彈性墊層遭受破壞。

（2）避免應力集中：金屬蝸殼之外圍混凝土所配“圈筋”在施工中不能在同一截面進行焊接，否則容易造成鋼筋焊接處應力集中的現象，必須錯開。

（3）配筋選型：外圍結構的截面較厚，按計算所需受力鋼筋數量一般不多，或按構造配筋；而在按構造配筋時，在跨度較大、厚度較薄的進口段，頂板徑向及邊墻豎向宜采用直徑較大的鋼筋，在出口段，可采用直徑較小的鋼筋。

3 工程實例

3.1 工程概況

雙河口水電站位于貴州省羅甸縣邊陽鎮交硯鄉，是蒙江干流規劃開發的第七級水電站，電站距邊陽鎮27km，距羅甸縣城68km，距貴陽市145km，有邊陽至交硯的區鄉級公路通至距壩址區。電站工程規模為大（二）型，為不完全年調節水庫，總庫容1.928億m3，興利庫容1.828億m3，正常蓄水位580m，死水位為560m，調節庫容為8520萬m3，庫容系數為 2.9%。電站裝機 3臺，電站總裝機容量12萬 kW。與上游梯級電站聯合運行下，保證出力2.964萬kW，多年平均年發電量4.591億kW·h，裝機利用小時數3830h[4]。

蝸殼至尾水肘管段全部為金屬鋼構件。蝸殼中心高程494.6m，進口接3.9m直徑的壓力鋼管。蝸殼混凝土頂部高程為水輪機層497.4m。頂板混凝土最小厚約 1.18m。主機間內整個蝸殼高程范圍均為C20二期鋼筋混凝土（W4、F50），兩側及下游側接一期水下墻。一二期之間均設置φ16@400的插筋。金屬蝸殼下部的錐管段上游壁設置進人孔，上游側二期混凝土內設1.2m寬、1.85m高的進人通道，蝸殼具體參數如下。

3.2 金屬蝸殼外圍鋼筋混凝土結構配筋計算

綜合考慮到第2節中說提出的問題，依據雙河口電站蝸殼相應參數，其配筋計算如下：

實際按最小配筋率配筋。另外，隨著國民經濟高速發展和環境保護要求的嚴格，鋼筋和水泥的生產要求也逐步提高，原有的低標號水泥和鋼筋逐步被淘汰。因此，本工程蝸殼的外圍混凝土采用C20，鋼筋標號采用Ⅱ級鋼筋。該設計方案已經應用于雙河口水電站，并通過相關驗收，蝸殼安全性完全符合設計規范要求。

4 結 論

在《水電站廠房設計規范》的基礎上，總結多年蝸殼設計與計算經驗，就蝸殼外圍混凝土結構配筋計算與施工中常見的問題，比如剪切變形、柔性段取值、配筋選型等方面進行了探討分析，并提出相應的解決方法，進而將其應用于雙河口水電站蝸殼計算中，研究表明，通過該方法設計的蝸殼完全符合規范要求，這不僅為水電站蝸殼設計與計算提供有益的參考依據，也為電站廠房施工與改造提供了理論依據。

[1]陳坤,姚珍格,李柯君.小型水電站廠房.1993年8月,第二版.

[2]河海大學,大連理工大學,西安理工大學,清華大學合編.水工鋼筋混凝土結構學.1996年10月第三版.

[3]孫訓方,方孝淑,關來秦.材料力學.上下冊,1994年9月,第三版.