#(一)構造方法金屬蝸殼是圓形薄壁結構，金屬蝸殼與外圍混凝土之間，在蝸殼上半部與外圍混凝土之間應設2~4層總厚為2?4cm左右的瀝青油毛氈或軟木瑪締脂等彈性墊層，使二者互相分離，受力互不傳遞。鋼蝸殼承擔全部內水壓力，外圍混凝土結構承擔上部結構傳來的荷載及自重，如圖12-12所示。對此種蝸殼，結構計算主要是針對蝸殼中心線以上的外圍混凝土結構，蝸殼中心線以下部分混凝土與塊體結構整體澆筑，不必計算。當金屬蝸殼與外圍混凝土之間不設墊層時，外圍混凝土結構除承受結構自重和外荷載外，還要承受部分內水壓力。圖12-12金屬蝸殼外圍混凝土結構(二)荷載與荷載組合金屬蝸殼外圍混凝土結構承受的荷載及荷載組合如下：1．荷載(1)結構自重A1。機墩傳來的荷載A2。機墩靜力計算中求出的底面正應力假定為直線分布。水輪機層地面活荷載A3。參考實際工程資料確定。內水壓力(包括水擊壓力)A4。外水壓力A5。溫度影響力A6。

蝸殼外圍混凝土結構荷載組合按表12-4采用。表12-4蝸殼荷載組合表蝸殼型式荷載組合荷載名稱AAAAAA金屬蝸殼外圍混凝土基本組合123456鋼筋混凝土蝸殼基本組合特殊組合1?正常運行+溫度影響力2?蝸殼放空3.校核洪水位運行（三）蝸殼結構計算模型蝸殼外圍混凝土是空間整體結構，當不考慮金屬蝸殼與外圍混凝土結構聯合作用時，內力計算一般按平面問題處理。設計中常沿蝸殼中心線徑向切取若干單位寬度的截面，按平面「框架進行計算；對大型工程宜采用三維有限元分析。當有技術經濟論證時，也可考慮由蝸殼與外圍混凝土聯合作用，水壓力由鋼蝸殼與外圍混凝土共同承擔。內力計算由三維有限元分析、結構模型試驗確定。因蝸殼尺寸及外因混凝土厚度在沿蝸殼中心線的平面內是變化的，所取的截面一般為0°、90°、180°包角線處，而0°截面（蝸殼進口處）往往是控制截面。「框架橫梁（頂板）與座環連接端假定為鉸接，蝸殼邊墻底部固接于下部塊體混凝土上或安裝高程處，如圖12-13所示。1．機墩2．座環3．彈性墊層4．外墻5．二期混凝土6．一期混凝土7．剛性結點8．圓拱

圖12-13鋼蝸殼外圍混凝土結構計算簡圖蝸殼外圍結構的一、二期混凝土間易形成冷縫，故「形剛架截面厚度僅考慮二期混凝的厚度。計算簡圖的選取以桿件曲面中心軸線為準。當桿件截面厚度較小，截面最小高度h與計算跨度L之比h/LVl/5或蝸殼尺寸很小時，可忽略結點寬度和剪切變形影響，按一般「形剛架計算。當桿件截面厚度很大，h/L>l/5時，應考慮結點剛度和剪力引起的剪切變形對結構內力的影響，可將結點寬度范圍內的桿件用剛性桿段代替，如圖12-13(b)所示。為簡化計算，可按桿件中心線長度L及h構成的「形剛架計算跨中彎矩，用凈跨長L1及件構成的「形剛架計算結點彎矩。初步估其時也可按凈跨L1及件構成的「形剛架計算內力，不考慮剛性桿段作用。若蝸殼邊墻較厚，或相鄰兩機組段之間不設永久性變形縫，蝸殼邊墻剛度比頂板剛度大8倍以上時，可考慮按一端鉸接于座環，另一端固接于邊墻的梁或圓拱計算，如圖12-13(c)所示。內力計算根據計算簡圖及荷載，用結構力學方法求出桿件內力。不考慮剪切變形和結點剛性影響。「形剛架的內力計算可直接利用有關建筑結構計算手冊圖表及公式進行。考慮剪切變形和結點剛性影響。這種「形剛架的內力計算。在桿件形常數和載常數計算中，需計入剪切變形和結點剛性影響，其他計算完全相同。配筋原則由于蝸殼斷面小的地方用「形剛架計算內力不很合理，一般除進口斷面按計算配筋外，其余部位可采用計算值的80%配筋或按構造配筋。蝸殼頂板按受彎構件配筋。受力筋徑向輻射等距布置、上下各一層。上層剛筋可分區按一定等差切斷，但切斷點應伸出邊墻外周邊30d以上。下層鋼筋可沿金屬蝸殼表面整環布置，兩端與座環焊接。計算時不計水平環向約束，但在頂板及邊墻的環向應配置構造鋼筋及溫度筋，直徑不小于20mm,間距不大于20?30cm。蝸殼的邊墻按偏心受壓構件配筋，受力筋垂直向布置，分內外兩層，直徑不宜小于12?16mm,間距不大于20?30cm。外圍混凝土結構的配筋情況，如圖12-14所示。外圍混凝土結構不需驗算斜截面強度。混凝土允許開裂，但應驗算裂縫開展寬度。

4一■水平環向構遙很度報筋1-水平環向構造溫度筋2-徑向受力筋等差切斷3-徑向受力筋沿蝸殼表面整環布置4-水平環向構造溫度鋼筋二、鋼筋混凝土蝸殼鋼筋混凝土蝸殼既承受自重與上部結構傳來的荷載，又承受內水壓力。由于這種蝸殼過流量大、且防滲要求高、體形復雜，因此對設計施工的要求較高，必須滿足強度、抗滲要求。蝸殼組成如圖12-15所示，包括以下幾部分：1．側墻2尾水錐體3下游壓力墻4進口底板5排架柱6環形薄墻7機墩8頂板進口段。由頂板、邊墻、底部大塊體結構或底板組成。當進口段橫截面跨度較大時，可在跨中設中墩以改善頂板受力條件。蝸殼段。由頂板、側墻(左、右側墻、下游墻)及底部大塊體結構組成。頂板為螺旋形環形板，內周邊為圓形，支承于水輪機座環上，外周邊支承于側墻上。蝸殼段側墻為厚壁塊體墻，其形狀也為螺旋形，三個邊界分別與頂板、底板及下游壓力墻相接。尾水錐體。為變厚度變高度圓筒錐體，頂端為支承水輪機座環的水平圓環，支承頂板內周邊。頂板與蝸殼底板以此為界，下接尾水管直錐段。如圖12-15(d)所示。底板。與尾水管周圍混凝土連成整體，一般不予計算。(二)荷載及荷載組合鋼筋混凝土蝸殼荷載及荷載組合，與金屬蝸殼外圍混凝土結構相同，見表13-4。(三)內力計算鋼筋混凝土蝸殼結構與鋼蝸殼外圍結構一樣，是個整體性的空間結構，只有用三維有限元法才能求出蝸殼結構的整體應力狀態。目前設計中沿用的基本方法有結構力學法或彈性理論方法，對大型廠房應用三維有限元計算蝸殼結構內力。1．平面框架法把鋼筋混凝土蝸殼空間整體結構簡化為平面框架計算，可利用結構力學常用圖表計算。方法與金屬蝸殼外圍混凝土結構相同。宜于中小型機組采用。進口段。沿水流方向切取單寬橫截面，按固結于底板的n形框架計算，荷載為內水壓力及自重。蝸殼段。沿下游壓力墻中心周長從徑向切取單寬平面「形框架。框架橫梁(蝸殼頂板)一端與水輪機座環鉸接，另一端與蝸殼側墻剛接，側墻固結于蝸殼底板或尾水管頂板上。此法在計算中忽略了平面框架之間的相互作用即環向約束，如圖12-16(a)所示。計算簡圖上的剛架荷載按實際作用位置確定，如圖12-16(b)所示。(a)(b)圖12-16平面框架法尾水錐體。為一變厚、變高的厚壁錐形圓筒，上端水平，下端為螺旋形曲面，如圖12-17(a)所示。計算時，一般簡化為上端自由、下端固接于尾水管彎管和邊墩上的

等厚等高短圓筒。圓筒高度取進水口處錐體最大高度H,厚度與直徑取上、下兩端平均值，如圖12-17(b)所示，圖中r0=(r1+r2)/2o圖12-17鋼筋混凝土蝸殼尾水錐體計算簡圖

圓筒頂部承受水輪機座環傳來的垂直荷載及自重；圓筒環向作用有蝸殼內水壓力

與尾水管內水壓力之差，近似按均布荷載考慮，作用于正圓筒外壁，如圖12-17(d)所示。2．環形板墻法環形板墻法認為蝸殼頂板和側墻的連接為固結，因而蝸殼頂板、側墻和壓力墻可分開計算，假定各為獨立結構，不考慮相互之間的變位調整，僅考慮反力傳遞。進口段。頂板與側墻都按兩端固定的梁式板或雙向板計算。蝸殼旋形段。旋形段頂板作為環形板計算或將頂板分成數塊，每塊均作為環形板的一部分計算，如圖12-18所示。環形板外周視為固定端，內周根據具體布置情況確定支承形式：支承在水輪機導水葉座環上時，作為鉸支考慮；當與機墩整結時，按固定端考慮。頂板荷載有自重、機墩傳來的荷載、水輪機層地板傳來的荷載及內水壓力等。圖12-18環形板環形板的內力計算應根據荷載與支承情況，按彈性力學方法計算內力。由于環形板以承受均布荷載為主，具體計算時可利用外周邊固定、內周邊自由的環形板在環面上作用均布荷載，沿內周邊作用集中荷載或彎矩時內力計算的現成圖表和公式，計算內周邊的撓度、轉角及內力值，根據實際支座處變位為零的條件，求出支座反力（集中力），并求出在支座反力作用下的內力與均布荷載作用下的內力疊加，從而得出各種內周邊支承情況的環形板承受均布荷載時的內力。頂板還受到側墻傳來的徑向拉力（內水壓力產生），此拉力頗大，頂板應按偏心受拉構件計算配筋。（3）蝸殼墻體由側墻與下游壓力墻組成，如圖12-19所示。側墻和壓力墻的荷載有內水壓力、自重、頂板傳來的垂直力和溫度荷載等。蝸殼側墻分為兩部分。靠近下游壓力墻部分墻體按三邊固結、一邊自由的雙向板計算；上游進口段部分則按上下兩邊固定的單向板計算。下游壓力墻為一變厚、變高墻體，近似按四邊固定板計算，厚度按壓力墻最薄處厚度計。圖12-19蝸殼墻體計算簡圖當下游壓力墻為等厚環形薄墻時，可看作由許多高為H的單寬垂直梁和半徑為R的水平圓環組成的結構，兩者共同承擔內水壓力。垂直方向上、下兩端分別固接于頂板及底板，水平圓環位于梁中部H/2范圍內，兩端連接于側墻。梁內側水壓力呈階梯形分布，外側受到水平園環反力作用，梁頂部受到頂板傳來的垂直荷載作用。根據梯形荷載q作用下垂直梁產生的撓度應與圓環在反力Pk作用下產生的環向伸長相等的變形相容條件，求出Pk作為外荷載作用于垂直梁，即可計算垂直梁的內力，如圖12-20k所示。圖12-20環形薄墻計算簡圖對側墻與下游壓力墻的內力計算，根據相應的圖表和公式進行。側墻還受到由頂板傳來的軸向拉力(由內水壓力產生)，故側墻亦為偏心受拉構件。尾水錐體。可根據計算簡圖，按工程手冊中有關等厚壁圓筒的計算公式和圖表進行。(五)配筋原則鋼筋混凝土蝸殼承受較大的內水壓力，除強度計算外，應按不允許開裂進行校核。進口段。按平面框架計算，頂板為偏心受拉構件，受力鋼筋直徑一般不小于12?16mm,順水流方向布置分布鋼筋，直徑一般不小于12mm,間距不超過30cm。邊墻及中墩按偏心受拉構件配筋，豎向受力鋼筋直徑不小于12~16mm,間距不超過20~30cm。水平分布筋不小于12mm,間距不超過30cm。若邊墻為塊體結構，豎向鋼筋直徑可采用12mm。頂板。按平面r形剛架計算內力時，頂板按偏心受拉構件計算配筋，徑向為受力鋼筋。計算中忽略環向約束，但仍應按受力鋼筋的20％配置環向構造鋼筋，分上、下兩層布置。按環形板計算時，徑向作用有彎矩及水平力，按偏心受拉構件分上、下兩層配置徑向受力鋼筋。環向作用有切向彎矩，應按受彎構件配置環向鋼筋。徑向鋼筋布置時，靠近內緣不能太密，間距應根據鋼筋用量確定，凈距不宜小于5cm。從內緣輻射向外緣布置時，因外緣徑向彎矩較大，上層可用短鋼筋加密，并與蝸殼墻鋼筋相連，間距不超過20?30cm。徑向鋼筋另一端焊接于座環上。徑向鋼筋按構造配置時，直徑不宜于12?16mm、間距不超過20?30cm。環向鋼筋宜用弧形，用分段焊接方式與蝸殼螺線相適應。環向筋分上、下兩層布置，構造要求與金屬蝸殼外圍混凝土結構相同。蝸殼墻。按平面框架計算時，豎向受力鋼筋按偏心受拉構件配置。環向則應布置足夠數目的構造鋼筋。當按厚壁墻計算時，垂直方向除彎矩外，還應計入豎向內力，按偏心受拉構件配筋。內水壓力對壓力墻產生的水平向拉力，由于兩端為大體積結構而變得很小，故可按受彎構件配筋。蝸殼墻的垂直高度一般不大，同時，從進口到出口，墻高逐漸減小，可按最大彎截面配置豎向鋼筋，直徑一般不小于12?16mm,間距不超過20?30cm。若邊墻為塊體混凝土，豎向筋可用12mm,水平環向構造鋼筋，直徑一般不小于12~16mm,間距不超過30cm,沿內外層水平放置。尾水錐體。尾水錐體應力一般不大，鋼筋多按構造配置，沿表面豎向及水平環向均勻布置12~16mm的鋼筋、間距不超過30cm。由于圓錐體底面是螺旋面，高度從進口起逐漸縮小，故沿高度各層水平環狀鋼筋不封閉，自上而下采用半徑遞增而圓心角依次遞減的圓弧鋼筋。第一道環筋需離錐頂一定距離，以便埋設水輪機座環的鋼板和螺栓。此外，蝸殼底板應按構造配置直徑為12mm、間距為30cm的徑向及環向鋼筋各一層。載面拐角處應配置45°方向的斜鋼筋，直徑不小于12mm,以抵抗應力集中。間距則與豎向內層鋼筋及頂板徑向內層鋼筋協調確定。鋼筋混凝土蝸殼配筋示意，如圖12-21所示。1機墩2座環立柱3環向筋4受力筋5徑向受力筋6架立筋7垂直受力筋圖12-21鋼筋混凝土蝸殼配筋圖第五節尾水管尾水管是水電站水下部分的主要承重結構之一，它的內部形狀和尺寸由水輪機制造廠通過水力模型試驗確定。直錐形尾水管大多限于容量較小的水輪機中，無需結構計算。為了減小水力損失和廠房開挖，目前大多采用彎肘形尾水管。大型電站的尾水管結構分析宜進行三維有限元計算。一、尾水管結構尾水管按結構特點分為直錐段、彎管段和擴散段三部分。錐管段四周為大體積混凝土，一般不需進行結構計算；彎管段和擴散段則為頂板、底板、邊墩和中墩組成的復雜空間結構，如圖12-22。擴散段底板結構型式有以下兩種。（一）分離式底板若基礎為堅硬完整的巖基，尾水管底板宜與邊墻、中墩及彎管段底板用永久縫分開，整個廠房的荷載由墩子傳給地基，改善底板受力條件。為減薄底板厚度亦可不做底板而只在基巖表面襯護抹光，為在檢修時滿足抗浮穩定，應設可靠的排水設施，底板上常設排水孔與錨筋，使作用在底板上的浮托力可減小40％~60％；也可做榨槽使底板反向支承在墩子上。（二）整體式底板

修筑在軟基或破碎巖基上的尾水管底板與邊墩、中墩及變管段澆筑成整體結構，形成箱形剛架結構。大、中型工程整體式尾水管底板厚度大多在lm以上，有的達2~3(a)立體圖形(b)縱剖面圖(c)水平剖面圖圖l2-22尾水管結構圖二、荷載及荷載組合l．荷載結構自重Al。上部結構(二期混凝土)及設備傳來的重量A2o尾水管頂板上沿垂直水流方的分布，近似作為均布荷裁，機電設備動荷載不乘動力系數。內水壓力A3。按設計尾水位計算，校核情況按校核尾水位計算內水壓力。外水壓力A4o擴散段邊墻承受的外水壓力來自機組段永久變形縫，頂板上也可能有外水壓力，錐管段承受來自蝸殼的水壓力。基礎揚壓力A5o由廠房整體計算中確定的揚壓力圖給定。地基反力A6o當尾水管按彈性地基梁或平面框架計算時，由廠房整體地基應力計算得到的地基反力分布圖確定。對整體式尾水管，其地基反力可作如下假定：底板剛度較大時(0L〈1),垂直水流方向的地基反力為均勻分布，荷載分布強

度為q=V/2L，如圖12-23(b)所示；⑵底板剛度中等(0L=1~3)，反力為曲線曲線分布，如圖12-23(b沖虛線所示。一般近似為三角形分布；(3)底板剛度相對較小(0L>3),反力按三角形分布，如圖12-23(c)所示；圖12-23圖12-23尾水管地基反力分布圖當地基反力為三角形分布時，反力計算如下：反力荷載寬度：1.5a=-0B(當0反力荷載寬度：1.5a=-0B(當023/L時)(12-38)反力最大強度特征系數：W-UVq==—2a2a00(12-39):Kb；4EJ'h(12-40)式中b——底板計算寬度，取1.0m；K——基巖彈性抗力系數；Eh——底板混凝土彈性模量，kPa；hJ――計算寬度內底板截面慣性矩(m4)；L底板跨度(m)；W——上部荷載的合力(kN)；U——底板揚壓力合力(kN)；V——基礎反力合力(kN)。2．荷載組合表12-5尾水管荷載組合表荷載組合計算情況荷載名稱A1A2AAAA6正常尾水位校核尾水位正常尾水位校核尾水位4檢修尾水位正常尾水位5校核尾水位檢修尾水位基本組合正常運行77777特殊組合檢修7777校核洪水位寸77777施工期777三、計算簡圖及計算原則(一)計算簡圖由于彎肘形尾水管為鋼筋混凝土的空間整體結構，形狀復雜，目前尚無成熟的計算方法。為簡化計，常不考慮空間整體作用而順水流方向切取若干截面，按單寬平面結構計算。根據各剖面構件的相對剛度，分別假定按上端固定的倒框架、下端固定或鉸接的框架、彈性地基上的框架進行計算。如圖12-24所示。(二)擴散段計算原則擴散段包括頂板、底板、邊墩和中墩。計算時沿水流方向切取若干截面，按單寬平面結構計算。通常在計算中作一些簡化和假定：假定尾水管按平面框架計算，其計算跨度不能按一般桿件系統取桿件中心到中心計算，否則彎矩偏大很多。圖12-24尾水管計算簡圖剛架內力計算中，當剛架桿件截面高度跨度比h/K1/5時，可不計剛架剪切變形和結點剛性影響，利用剛架結構的現成圖表和公式，計算結點彎矩。當剛架稈件截面高跨比h/l>l/4?1/3時，由剪應力引起的剪切變形對桿件總變形影響較大，計算時不能忽略，因屬厚壁桿件，需考慮結點剛性影響，如圖圖13-25考慮節點剛性的計算簡圖13-25所示。節點剛性段的長度取節點寬度一半，柔性段的長度取凈跨。支座外的配筋，原則上按柔性端彎矩計算，其數值比剛性，端彎矩小很多，有時甚至改變了彎矩的方向。具體計算可參閱有關書籍。由于整個廠房的基礎反力系沿水流方向通過總體計算求得，故在按單寬平面框架計算時，每一框架上的全部豎向荷載(包括自重與揚壓力)與該截面底板上的基礎反力之間往往存在不平衡狀態，其差值由切取相鄰截面間相互作用的剪力所平衡。此剪力以一定規律分配給中墩、邊墩、頂板和底板。作為外荷載用其上，框架處于平衡狀態再按結構力學方法計算平面框架內力，能得出較為精確的結果。相鄰框架間不平衡剪力推求方法可參閱有關書籍。當尾管底板較厚，相對剛度較大時，可假定框架與底板分開計算，如圖12-26所示。即框架墩子固定在底板上，求出傳給底板的荷載(軸向力和彎矩)后，再將底板按彈性地基上的梁計算。圖12-26尾水管上部框架與底板分開計算簡圖如為分離式底板(或底板很薄，或不設底板)，而墩子又不挖齒槽時，則框架底端按鉸接處理，如圖12-27所示。荷載有上部結構傳來的垂直荷載及自重，按平面問題用結構力學方法計算內力，尾水管底板視為獨立結構。因檢修時抗浮穩定所需，底板上一般設有鋼筋與排水孔，底部荷載為自重與揚壓力，可作為以錨筋為支點的無粱樓板計算，計算方法可參閱有關書籍。圖12-27分離式底板尾水管計算簡圖如巖石豎硬完整，在挖槽、加錨筋、回填混凝土處理后，則框架底端按固端計算底扳為整體式時，切取的剛架為一由邊墻、中墩、頂板和底板構成的閉口剛架，計算時可視為彈性地基上的剛架，如圖12-28所示。對于左右對稱的剛架，可只取一半計算。按彈性地基上框架計算時，一般不計剛性結點和剪切變形的影響，按凈跨作為高、寬組成的閉口剛架，用結構力學方法計算內力。

圖12-28尾水管按彈性地基上剛架計算圖12-29尾水管頂板按深梁計算簡圖當尾水管頂板特別厚時，不能再按平面剛架計算。尾水管跨度l與截面高度h之比l/hW2.5時，頂板截面內力分布完全不同于淺梁，須按深梁計算，如圖12-29所示。彎管段計算尾水管彎管段通常指自中間的隔墩的墩頭到錐管以下這一段。該段的結構特點是頂板很厚，底板相對較薄，而兩側邊墩在水平方向為變厚度。彎管段上部通