王家明 馬青

摘 要：為了進(jìn)一步對(duì)墊層埋入法蝸殼結(jié)構(gòu)埋設(shè)方式進(jìn)行總結(jié)提煉，對(duì)國(guó)內(nèi)采用墊層埋入法的水電站進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，系統(tǒng)闡明了墊層埋入法的應(yīng)用發(fā)展，指出了在高水頭、大尺寸蝸殼結(jié)構(gòu)上墊層埋入法的普遍適用性，總結(jié)了具有廣泛應(yīng)用性的墊層參數(shù)取值范圍，即墊層厚度取20～30 mm，墊層彈性模量取1.5～3.6 MPa，墊層平面布置從蝸殼進(jìn)口起始鋪至轉(zhuǎn)角270°，墊層立面布置上至機(jī)坑里襯1.25～2.50 m、下至腰線以下10°～30°。

關(guān)鍵詞：墊層埋入法;發(fā)展;墊層參數(shù);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);有限元

中圖分類號(hào)：TV731;TV741文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.026

引用格式：王家明，馬青.墊層埋入法蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)分析與研究[J].人民黃河，2021，43（1）：133-136.

Statistical Analysis and Research on Structural Design of Spiral Case with Cushion Embedding Method

WANG Jiaming1， MA Qing2

（1.Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Xian 710100， China;

2.Power China Guiyang Engineering Corporation Limited， Guiyang 550081， China）

Abstract：In order to sum up and refine further engineering experience of the structure of spiral case by cushion embedding method， this paper made a lot of statistics and analysis on the hydropower station with cushion embedding method in China. It demonstrated the development of cushion embedding method and pointed out the universal applicability of the cushion embedding method in high head and large size of spiral case. It summarized the range of parameters of cushion layers which were widely used， including 20 to 30 mm thick， 1.5 to 3.6 MPa elastic modulus， from spiral case inlet to 270° section of horizontal section laying scope and beginning from 1.25 to 2.50 m of distance between cushion and pit lining and down to 10° to 30° below the waist line of vertical section laying scope.

Key words： cushion embedding method; development; cushion parameter; structural design; finite element

蝸殼是水電站廠房重要的過(guò)流部件，其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，直接影響著水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。蝸殼的埋設(shè)方式多樣[1]，不同的蝸殼埋設(shè)方式，金屬蝸殼和外圍混凝土均表現(xiàn)出不同的受力狀態(tài)。國(guó)內(nèi)學(xué)者曾對(duì)蝸殼埋設(shè)方式進(jìn)行過(guò)大量研究，并對(duì)比了不同埋設(shè)方式的結(jié)構(gòu)受力特性[2-6]。墊層埋入法蝸殼埋設(shè)方式是在蝸殼與外圍混凝土之間鋪設(shè)一層彈性墊層，這種工藝可以有效降低蝸殼外圍混凝土的受力，發(fā)揮金屬蝸殼鋼板強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)[7-8]，但其墊層參數(shù)多、墊層末端易產(chǎn)生應(yīng)力集中且易老化。張啟靈等[9]對(duì)墊層埋入法蝸殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究和介紹。付紅霞等[7-8，10]對(duì)墊層材料、厚度、鋪設(shè)范圍等墊層參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，得出了蝸殼及外圍混凝土在墊層參數(shù)變化情況下的應(yīng)力變化規(guī)律。樊熠瑋等[11-13]在蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)引入三維有限元法對(duì)金屬蝸殼及外圍混凝土的受力特性進(jìn)行了仿真模擬，并進(jìn)行了配筋計(jì)算。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)墊層埋入法蝸殼結(jié)構(gòu)研究較為深入，但系統(tǒng)性總結(jié)不多，鑒于此，有必要對(duì)墊層埋入法的發(fā)展、墊層設(shè)計(jì)參數(shù)及外圍混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)。

1 墊層埋入法的發(fā)展統(tǒng)計(jì)與分析

筆者搜集了國(guó)內(nèi)17座采用墊層埋入法埋設(shè)蝸殼結(jié)構(gòu)的水電站資料，對(duì)該法的應(yīng)用情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。

墊層埋入法應(yīng)用起步階段，國(guó)內(nèi)建設(shè)的新安江、劉家峽和碧口水電站采用了墊層蝸殼，但出現(xiàn)了一些問(wèn)題。以碧口水電站為例，在蝸殼和外圍混凝土的原型觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，設(shè)置墊層導(dǎo)致蝸殼頂部在內(nèi)水壓力下發(fā)生屈服[14]?？梢?jiàn)，工程人員對(duì)墊層下的蝸殼及外圍混凝土的內(nèi)水壓力分配作用認(rèn)識(shí)還不深入，只是單純發(fā)揮其減力作用。隨著有限元計(jì)算的發(fā)展和工程經(jīng)驗(yàn)的積累，工程人員對(duì)墊層埋入法蝸殼和外圍混凝土的受力特點(diǎn)、運(yùn)行機(jī)理的認(rèn)識(shí)逐漸深入[9]，這一點(diǎn)從工程實(shí)際應(yīng)用情況上就能看出，即在單機(jī)容量4萬(wàn)～100萬(wàn)kW的水電站中墊層埋入法得到了廣泛采用。

同時(shí)，筆者對(duì)2000年以來(lái)開(kāi)工建設(shè)的裝機(jī)200萬(wàn)kW以上的16座水電站的蝸殼埋設(shè)方式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表2。

由表2可知，墊層埋入法和充水保壓埋入法兩種蝸殼埋設(shè)方式在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛。裝機(jī)容量超過(guò)500萬(wàn)kW的水電站中，采用墊層埋入法的水電站較多，尤其近年來(lái)國(guó)內(nèi)建設(shè)的巨型電站，如最大水頭為287 m、蝸殼進(jìn)口直徑為7.2 m的溪洛渡水電站，最大水頭為340 m、蝸殼進(jìn)口直徑為8.6 m的白鶴灘水電站等均采用了墊層埋入法?？梢?jiàn)，這種埋設(shè)方法已成為目前國(guó)內(nèi)大型、巨型電站的首選方法。

2 墊層設(shè)計(jì)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)與分析

2.1 墊層材料統(tǒng)計(jì)與分析

筆者對(duì)國(guó)內(nèi)13座采用墊層埋入法的水電站中埋設(shè)蝸殼結(jié)構(gòu)的墊層材料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表3。

可見(jiàn)，起初工程人員使用的墊層材料較多且雜，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，易老化的材料逐漸被淘汰，聚乙烯閉孔泡沫板（PE板）和聚氨酯軟木（PU板）逐漸受到青睞并得到廣泛應(yīng)用。

而研究成果表明[15]，聚氨酯軟木在力學(xué)性質(zhì)、材料老化后性能、工程造價(jià)及施工難度等方面均表現(xiàn)出比其他材料更為良好的性能。

2.2 墊層厚度與彈性模量統(tǒng)計(jì)與分析

筆者搜集了采用PE板和PU板的水電站資料，對(duì)墊層厚度和彈性模量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)顯示，墊層厚度的取值范圍為20～30 mm，墊層彈性模量的取值范圍為1.5～3.6 MPa。

筆者通過(guò)有限元法對(duì)墊層厚度和彈性模量進(jìn)行了敏感性分析，計(jì)算結(jié)果表明，墊層厚度越厚、墊層彈性模量越小，對(duì)提高金屬蝸殼分擔(dān)內(nèi)水壓力比例、改善外圍混凝土受力狀態(tài)有一定幫助，但當(dāng)墊層厚度以1 cm或彈性模量以1 MPa為單位變動(dòng)時(shí)，金屬蝸殼和外圍混凝土的應(yīng)力改變微小。一些學(xué)者也得到了同樣的結(jié)論[7-8]。

2.3 墊層空間鋪設(shè)范圍統(tǒng)計(jì)與分析

筆者對(duì)墊層空間鋪設(shè)范圍進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，平面鋪設(shè)范圍一般為從蝸殼進(jìn)口段至蝸殼轉(zhuǎn)角135°～280°之間，絕大多數(shù)都采用傳統(tǒng)墊層范圍，即鋪至轉(zhuǎn)角270°;立面鋪設(shè)范圍為蝸殼上半圓，上端始于距機(jī)坑里襯（座環(huán)）1.25～2.5 m處，下端至腰線（安裝高程）以下0°～30°處。

對(duì)于墊層平面鋪設(shè)范圍，有限元計(jì)算表明[16-17]，隨著墊層平面鋪設(shè)范圍的增大，鋼筋應(yīng)力顯著降低，混凝土損傷范圍逐漸減少，但易導(dǎo)致座環(huán)的剪切變形增大。目前科研人員對(duì)于墊層平面的鋪設(shè)范圍未有定論，工程上依然較多地采用傳統(tǒng)鋪設(shè)范圍。

對(duì)于立面鋪設(shè)范圍，有限元計(jì)算表明[7]，墊層鋪設(shè)范圍越廣，金屬蝸殼應(yīng)力越大，外圍混凝土應(yīng)力越小。但對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，墊層上端與基坑里襯的距離并不是越小越好，而是與蝸殼半徑有線性相關(guān)性。對(duì)于不同尺寸的同一位置的蝸殼立面而言，蝸殼立面半徑越大，墊層上端與機(jī)坑里襯的距離越大。以蝸殼進(jìn)口段為例，統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)圖1（R2為確定系數(shù)）。

實(shí)際上，座環(huán)與金屬蝸殼是焊接在一起的，導(dǎo)致該處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，如果繼續(xù)在該處鋪設(shè)墊層，會(huì)增加金屬蝸殼承擔(dān)內(nèi)水壓力的比例，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利。因此，鋪設(shè)墊層時(shí)其上端與機(jī)坑里襯之間需要留出一定的安全距離。

另外，對(duì)于墊層末端的鋪設(shè)范圍，有限元研究表明[7-8]，墊層范圍鋪至腰線處，易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此墊層范圍應(yīng)適當(dāng)延伸至腰線下的10°～30°，這樣做對(duì)改善腰線附近的混凝土受力有幫助。

3 墊層埋入法外圍混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

3.1 外圍混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法探討

目前，國(guó)內(nèi)工程人員在蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要采用平面框架簡(jiǎn)化算法和三維有限元法。

（1）平面框架簡(jiǎn)化算法。假定墊層將蝸殼和外圍混凝土完全分離，蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)只承受結(jié)構(gòu)自重和上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載，內(nèi)水壓力全部由蝸殼承擔(dān)。將外圍混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面框架，即沿蝸殼水流方向切取單寬的等截面Г形鋼架（見(jiàn)圖2），計(jì)算時(shí)不考慮鋼架之間的約束作用。利用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力后再進(jìn)行配筋計(jì)算和抗裂計(jì)算。

（2）三維有限元法。將金屬蝸殼、外圍混凝土、墊層作為整體模型來(lái)考慮（見(jiàn)圖3），通過(guò)施加外部荷載計(jì)算頂板和邊墻的最大拉應(yīng)力，利用《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]中的拉應(yīng)力圖形法進(jìn)行配筋計(jì)算。然后根據(jù)配筋結(jié)果進(jìn)行建模，將金屬蝸殼、外圍混凝土、墊層和鋼筋作為整體模型進(jìn)行非線性復(fù)核計(jì)算，通過(guò)調(diào)整墊層參數(shù)，將金屬蝸殼、外圍混凝土及鋼筋應(yīng)力的受力狀態(tài)調(diào)至最合理狀態(tài)。

目前，工程人員仍然較多采用第一種方法進(jìn)行蝸殼外圍混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而第二種方法只是進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證。毫無(wú)疑問(wèn)，第一種設(shè)計(jì)方法是安全的，但其未考慮結(jié)構(gòu)的整體作用，往往配筋較多，鋼筋承受應(yīng)力小[8]，不能充分發(fā)揮作用，另外這種方法沒(méi)有蝸殼外圍混凝土沿水流方向配筋的設(shè)計(jì)依據(jù)。而第二種方法將4種材料全部考慮在內(nèi)，即4種材料聯(lián)合承載，并通過(guò)墊層參數(shù)的改變來(lái)控制金屬蝸殼和混凝土承擔(dān)內(nèi)水壓力的比例，充分發(fā)揮金屬蝸殼的強(qiáng)度儲(chǔ)備，降低了鋼筋的配筋率[11]。因此，利用第二種方法指導(dǎo)蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分必要。

3.2 鋼筋布置統(tǒng)計(jì)與分析

蝸殼外圍混凝土的鋼筋布置一般分為環(huán)向鋼筋和水流方向鋼筋，其中：環(huán)向鋼筋是蝸殼立面圍繞蝸殼布置的鋼筋，為受力鋼筋;沿蝸殼內(nèi)水流方向布置的鋼筋為構(gòu)造鋼筋。筆者統(tǒng)計(jì)了蝸殼進(jìn)口段直徑大于6 m的蝸殼外圍混凝土配筋結(jié)果，數(shù)據(jù)表明，環(huán)向鋼筋較多采用雙層鋼筋，鋼筋直徑在32～36 mm之間，鋼筋間距為200 mm，單位寬度下配筋面積主要分布在9 650～18 321 mm2之間，見(jiàn)表4。

另外，筆者查閱了國(guó)內(nèi)采用墊層埋入法的4座水電站（董箐、龍羊峽、龍灘和碧口）的蝸殼鋼筋應(yīng)力實(shí)測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)蝸殼周圍環(huán)向鋼筋最大應(yīng)力[19-20]（分別為39.8、27.9、19.4、20.0 MPa）均不超過(guò)其屈服強(qiáng)度的10%，說(shuō)明材料強(qiáng)度有很大富?？臻g，鋼筋使用嚴(yán)重浪費(fèi)。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)采用墊層埋入法埋設(shè)蝸殼的水電站資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，得出了以下結(jié)論：

（1）墊層埋入法已得到廣泛采用，且已應(yīng)用在高水頭、大尺寸蝸殼結(jié)構(gòu)上。

（2）墊層材料主要采用聚乙烯閉孔泡沫板和聚氨酯軟木兩種，且后者具有更好的材料性能。

（3）總結(jié)了目前較為普遍的墊層設(shè)計(jì)參數(shù)。墊層厚度一般取20～30 mm，墊層彈性模量取1.5～3.6 MPa，墊層平面布置鋪至轉(zhuǎn)角270°。墊層立面布置中，上端始于距機(jī)坑里襯1.25～2.50 m處，下端至腰線以下10°～30°處。對(duì)于不同尺寸的同一位置的蝸殼立面而言，蝸殼立面半徑越大，墊層上端與機(jī)坑里襯的距離越大。

（4）按照目前外圍混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋，實(shí)際鋼筋應(yīng)力均不超過(guò)其屈服強(qiáng)度的10%，說(shuō)明材料強(qiáng)度有很大富?？臻g。采用三維有限元法進(jìn)行蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效發(fā)揮金屬蝸殼的強(qiáng)度儲(chǔ)備，降低鋼筋的配筋率。

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【責(zé)任編輯 張華巖】