角木塘水電站混凝土蝸殼設(shè)計

李曉梅

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550001)

0 引 言

水電站混凝土的蝸殼設(shè)計是直接影響其建設(shè)使用效果的關(guān)鍵，然而在實踐過程中，其設(shè)計計算過程的復(fù)雜性增加了工程項目使用建設(shè)的難度。為此，相關(guān)人員應(yīng)從實踐角度出發(fā)，即在明確水電站混凝土蝸殼設(shè)計依據(jù)的情況下，找出設(shè)計控制的方法。

1 工程概況

角木塘水電站工程位于貴州省遵義市道真縣，主要以發(fā)電為主，電站的總裝機容量為70 MW。作為河床式廠房，其布置在河床的偏右岸位置，也是所處地區(qū)重要的擋水建筑物。該水電站工程共裝有2臺機組，且單機容量為35 MW。經(jīng)調(diào)查分析，水電站廠區(qū)主要涉及的建筑物包括：主廠房、副廠房以及尾水渠等，其中主、副廠房以并列式狀態(tài)布置。安裝間的高程為369.050 m，發(fā)電機層的高程為359.050 m，水輪機安裝高程為348.657 m。主廠房331.400 m高程以上尺寸為70 m×34.956 m×56.6 m，其中安裝間長為26.3 m，主廠房屋頂高程為388.000 m，機組間距為17.0 m。為實現(xiàn)廠房安裝間下部設(shè)置檢修集水井和滲漏集水井的目標(biāo)，相關(guān)人員應(yīng)將現(xiàn)有的技術(shù)資料資源充分利用起來；即以此為依據(jù)，來提高水電站混凝土蝸殼設(shè)計的科學(xué)合理性。

2 設(shè)計依據(jù)

工程等級為Ⅲ級，建筑物級別為3級，電站廠房級別3級，建筑物安全級別Ⅱ級。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)r0=1.0，設(shè)計狀況系數(shù)：持久φ=1.0，短暫φ=0.95，偶然φ=0.85。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)系數(shù)rd=1.2(見表1)。

混凝土的強度等級為C30，抗壓設(shè)計強度為fc=14.3 N/mm2；抗拉設(shè)計強度為ft=1.43 N/mm2；彈性模量為Ec=3×104N/mm2。鋼筋采用HRB400；彈性模量為Es=2.0×105N/mm2；強度設(shè)計值為fy=360 N/mm2。此外，水電站工程的上游正常蓄水位為383.00 m，死水位為381.00 m，設(shè)計洪水位為383.01 m，校核洪水位為387.034 m。

為實現(xiàn)水電站混凝土蝸殼設(shè)計要求，相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合上述工程條件來提高設(shè)計控制的針對性與效果價值。

3 優(yōu)化設(shè)計控制策略

3.1 蝸殼進口段配筋計算

進口段在垂直水流方向按單寬切取2個橫斷面(見圖1)。

表1 廠房結(jié)構(gòu)的作用分類與分項系數(shù)

圖1蝸殼進口段結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)各桿件之間的剛度比確定其計算簡圖，按單孔、雙孔(有中墩)剛架或頂板按單、雙跨梁結(jié)構(gòu)計算。此工程由于邊墻厚度較大，剛度遠大于頂板。另隔墩僅在進口段前1.9 m范圍內(nèi)存在，且厚度漸變縮小，因此計算不考慮中墩作用，進口段頂板按照單跨梁進行計算。

以2—2斷面尺寸的計算過程為例，由于其與圖1中的斷面相同，因此，持久工況荷載組合：1.0×(39.38+451.01-403)=87.39 kN(機組正常運行)。垂直向下荷載：結(jié)構(gòu)自重為g1：39.38 kN；機墩風(fēng)罩及設(shè)備傳來荷載N：1 026.06÷2.275=451.01 kN；垂直向上荷載：內(nèi)水壓力g3：403 kN(為安全起見，運行水位取死水位)，此計算斷面不考慮水輪機層活荷載。

短暫工況荷載組合：0.95×(39.38+319.45+12)=352.28 kN(機組檢修)。垂直向下荷載：結(jié)構(gòu)自重為g1：39.38 kN；機墩及風(fēng)罩傳來荷載： (P1′+ P2′+ P3′+ P4′+P7)÷2.275=(115.5+119.4+157.5+196.03+138.34)÷2.275=319.45 kN；水輪機面層荷載q：12 kN/m，偶然工況荷載組合：0.85×(39.38+451.01-481)=7.98 kN(上游最高水位運行)。垂直向下荷載：結(jié)構(gòu)自重為g1：39.38 kN；機墩及風(fēng)罩傳來荷載N：1 026.06 kN÷2.275=451.01 kN；垂直向上荷載：內(nèi)水壓力g5：481 kN。

經(jīng)以上計算可知：控制工況為短暫工況。

3.2 蝸殼段配筋計算

蝸殼外圍混凝土的計算通常簡化為平面“?！毙蝿偧?，即剛架一端簡支在水輪機的座環(huán)上，另一端固定在大體積混凝土上。由于蝸殼的尺寸和其外圍的混凝土厚度在水平面內(nèi)是變化的，所以分別取2個剖面進行計算其內(nèi)力和配筋。

以荷載計算過程為例，首先求出機墩傳到蝸殼頂板上的荷載，即N=1 026.06 kN。由結(jié)構(gòu)圖可知機墩底面與蝸殼頂板接觸面寬度為2.275 m，所以蝸殼頂板每米承擔(dān)機墩傳荷載為g1=1 026.06/2.275=451 kN/m。蝸殼頂板及邊墻自重計算：3—3剖面的頂板厚度為1.5 m；設(shè)計值：g3=1.05×1.5×1×25=39.37 kN/m；邊墻厚度為2.4 m，其值大約為兩機組段中墩厚度的一半；設(shè)計值：g4=1.05×2.4×1×25=63 kN/m。

3.3 蝸殼限裂計算

蝸殼進口段頂板由于計算跨度大，截面高度尺寸不夠高，導(dǎo)致抗裂計算不能滿足設(shè)計要求?，F(xiàn)根據(jù)蝸殼所處環(huán)境類別(本工程所屬環(huán)境類別為2類)對進口段頂板進行限裂(wlim=0.3 mm)計算。在滿足限裂計算要求的基礎(chǔ)上采取薄鋼板防滲措施。

具體的蝸殼限裂設(shè)計要按照如下公式進行計算：

公式中，因偏心受拉構(gòu)件的矩形截面，所以小偏心受拉構(gòu)件括號內(nèi)取減號；反之，則取加號。

式中，α為綜合影響系數(shù)，對受彎構(gòu)件取2.1；σsk為縱向受拉鋼筋應(yīng)力(N/mm2)；Es為鋼筋彈性模量， 2.0×105N/mm2；c為混凝土保護層厚度，50 mm；d為鋼筋直徑，36 mm；b為截面計算寬度；h0為截面有效高度，1 450 mm；αs為縱向受拉鋼筋面積；As為重心至截面受拉邊緣的距離，68 mm。

以水電站混凝土蝸殼進口段的1—1斷面計算結(jié)果為例：

因而，能夠滿足限裂要求。

4 結(jié) 語

綜上所述，水電站混凝土蝸殼設(shè)計應(yīng)與工程項目的實際情況進行結(jié)合，將設(shè)計依據(jù)充分作用于混凝土蝸殼的設(shè)計計算；這樣才能使水電站混凝土蝸殼的設(shè)計計算結(jié)果更趨準(zhǔn)確，進而提高工程項目運行的安全穩(wěn)定性。

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