角木塘水电站混凝土蜗壳设计

李晓梅

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550001)

0 引 言

水电站混凝土的蜗壳设计是直接影响其建设使用效果的关键，然而在实践过程中，其设计计算过程的复杂性增加了工程项目使用建设的难度。为此，相关人员应从实践角度出发，即在明确水电站混凝土蜗壳设计依据的情况下，找出设计控制的方法。

1 工程概况

角木塘水电站工程位于贵州省遵义市道真县，主要以发电为主，电站的总装机容量为70 MW。作为河床式厂房，其布置在河床的偏右岸位置，也是所处地区重要的挡水建筑物。该水电站工程共装有2台机组，且单机容量为35 MW。经调查分析，水电站厂区主要涉及的建筑物包括：主厂房、副厂房以及尾水渠等，其中主、副厂房以并列式状态布置。安装间的高程为369.050 m，发电机层的高程为359.050 m，水轮机安装高程为348.657 m。主厂房331.400 m高程以上尺寸为70 m×34.956 m×56.6 m，其中安装间长为26.3 m，主厂房屋顶高程为388.000 m，机组间距为17.0 m。为实现厂房安装间下部设置检修集水井和渗漏集水井的目标，相关人员应将现有的技术资料资源充分利用起来；即以此为依据，来提高水电站混凝土蜗壳设计的科学合理性。

2 设计依据

工程等级为Ⅲ级，建筑物级别为3级，电站厂房级别3级，建筑物安全级别Ⅱ级。结构重要性系数r0=1.0，设计状况系数：持久φ=1.0，短暂φ=0.95，偶然φ=0.85。钢筋混凝土结构：结构系数rd=1.2(见表1)。

混凝土的强度等级为C30，抗压设计强度为fc=14.3 N/mm2；抗拉设计强度为ft=1.43 N/mm2；弹性模量为Ec=3×104N/mm2。钢筋采用HRB400；弹性模量为Es=2.0×105N/mm2；强度设计值为fy=360 N/mm2。此外，水电站工程的上游正常蓄水位为383.00 m，死水位为381.00 m，设计洪水位为383.01 m，校核洪水位为387.034 m。

为实现水电站混凝土蜗壳设计要求，相关人员应结合上述工程条件来提高设计控制的针对性与效果价值。

3 优化设计控制策略

3.1 蜗壳进口段配筋计算

进口段在垂直水流方向按单宽切取2个横断面(见图1)。

表1 厂房结构的作用分类与分项系数

图1蜗壳进口段结构简图

根据各杆件之间的刚度比确定其计算简图，按单孔、双孔(有中墩)刚架或顶板按单、双跨梁结构计算。此工程由于边墙厚度较大，刚度远大于顶板。另隔墩仅在进口段前1.9 m范围内存在，且厚度渐变缩小，因此计算不考虑中墩作用，进口段顶板按照单跨梁进行计算。

以2—2断面尺寸的计算过程为例，由于其与图1中的断面相同，因此，持久工况荷载组合：1.0×(39.38+451.01-403)=87.39 kN(机组正常运行)。垂直向下荷载：结构自重为g1：39.38 kN；机墩风罩及设备传来荷载N：1 026.06÷2.275=451.01 kN；垂直向上荷载：内水压力g3：403 kN(为安全起见，运行水位取死水位)，此计算断面不考虑水轮机层活荷载。

短暂工况荷载组合：0.95×(39.38+319.45+12)=352.28 kN(机组检修)。垂直向下荷载：结构自重为g1：39.38 kN；机墩及风罩传来荷载： (P1′+ P2′+ P3′+ P4′+P7)÷2.275=(115.5+119.4+157.5+196.03+138.34)÷2.275=319.45 kN；水轮机面层荷载q：12 kN/m，偶然工况荷载组合：0.85×(39.38+451.01-481)=7.98 kN(上游最高水位运行)。垂直向下荷载：结构自重为g1：39.38 kN；机墩及风罩传来荷载N：1 026.06 kN÷2.275=451.01 kN；垂直向上荷载：内水压力g5：481 kN。

经以上计算可知：控制工况为短暂工况。

3.2 蜗壳段配筋计算

蜗壳外围混凝土的计算通常简化为平面“Γ”形刚架，即刚架一端简支在水轮机的座环上，另一端固定在大体积混凝土上。由于蜗壳的尺寸和其外围的混凝土厚度在水平面内是变化的，所以分别取2个剖面进行计算其内力和配筋。

以荷载计算过程为例，首先求出机墩传到蜗壳顶板上的荷载，即N=1 026.06 kN。由结构图可知机墩底面与蜗壳顶板接触面宽度为2.275 m，所以蜗壳顶板每米承担机墩传荷载为g1=1 026.06/2.275=451 kN/m。蜗壳顶板及边墙自重计算：3—3剖面的顶板厚度为1.5 m；设计值：g3=1.05×1.5×1×25=39.37 kN/m；边墙厚度为2.4 m，其值大约为两机组段中墩厚度的一半；设计值：g4=1.05×2.4×1×25=63 kN/m。

3.3 蜗壳限裂计算

蜗壳进口段顶板由于计算跨度大，截面高度尺寸不够高，导致抗裂计算不能满足设计要求。现根据蜗壳所处环境类别(本工程所属环境类别为2类)对进口段顶板进行限裂(wlim=0.3 mm)计算。在满足限裂计算要求的基础上采取薄钢板防渗措施。

具体的蜗壳限裂设计要按照如下公式进行计算：

公式中，因偏心受拉构件的矩形截面，所以小偏心受拉构件括号内取减号；反之，则取加号。

式中，α为综合影响系数，对受弯构件取2.1；σsk为纵向受拉钢筋应力(N/mm2)；Es为钢筋弹性模量， 2.0×105N/mm2；c为混凝土保护层厚度，50 mm；d为钢筋直径，36 mm；b为截面计算宽度；h0为截面有效高度，1 450 mm；αs为纵向受拉钢筋面积；As为重心至截面受拉边缘的距离，68 mm。

以水电站混凝土蜗壳进口段的1—1断面计算结果为例：

因而，能够满足限裂要求。

4 结 语

综上所述，水电站混凝土蜗壳设计应与工程项目的实际情况进行结合，将设计依据充分作用于混凝土蜗壳的设计计算；这样才能使水电站混凝土蜗壳的设计计算结果更趋准确，进而提高工程项目运行的安全稳定性。

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