河床式水电站混凝土蜗壳防渗措施研究.pdf
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1、第33卷第12期 20 1 6年1 2月 长江科学院院报 Journal of Yangtze River Scientific Research Institute Vol.33 No.12 Dec. 2 0 1 6 doi : 10.11988/ckyyb.201507722016,33(12):128-132 河床式水电站混凝土蜗壳防渗措施研究 张志川、伍鹤皋2,石长征2张志川、伍鹤皋2,石长征2 (1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司, 成 都610072; 2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室, 武 汉430072) 摘 要:混凝土蜗壳结构在运行中承受复杂荷载作用时容
2、易开裂, 由于裂缝的产生, 蜗壳防渗设计是一个需要重点 关注的问题。鉴于混凝土蜗壳在中低水头甚至高水头电站中将得到更多的应用, 而目前对混凝土蜗壳防渗问题的 研究还不充分, 结合某河床式水电站工程实际, 运用三维非线性有限元方法对混凝土蜗壳的多种防渗方案进行了 研究。 研究表明:高强混凝土、 钢纤维混凝土和环氧砂浆方案能解决混凝土蜗壳结构的限裂问题, 但实践中有较大 的局限性, 而在蜗壳混凝土内表面设钢衬以及预应力加固方案的防渗效果较好, 建议在实际工程中优先采用。 关键词:混凝土蜗壳;非线性有限元;限裂;防渗措施;混凝土损伤 中图分类号:TV43 文献标志码:A 文章编号= 1001-548
3、5 (2016) 12-0128-05 1研究背景 蜗壳结构是水轮机的重要过流部件, 也是水电 站厂房中的重要建筑物, 它的任务是向水轮机提供 平稳水流和承受水轮发电机组的静动荷载。蜗壳结 构设计直接影响机组的稳定安全运行, 是水电站建 设中重要的技术经济问题1。在河床式水电站中, 多采用梯形断面的混凝土蜗壳, 进口段跨度大, 侧墙 高, 受力条件复杂, 内水压力作用下的应力水平较 高, 容易引起混凝土开裂。另外, 施工期混凝土的离 析、 塑性变形、 碳化收缩、 干缩、 水化热温升及运行期 水温的变化也容易导致蜗壳部位混凝土开裂。由于 蜗壳是水轮机的过流部件, 因此, 对混凝土蜗壳而 言, 除
4、强度设计外, 其防渗设计也是一个需要重点关 注的问题。 根据国内现行规范的要求, 混凝土蜗壳结构应进 行限裂验算。对于水头不同的电站, 因蜗壳结构尺寸 和承受内水压力的不同, 有的通过计算配置限裂钢筋 即可满足限裂要求2。当配置限裂钢筋不能满足限 裂要求时, 蜗壳内壁应增设防渗层, 工程上一般的做 法是内设钢衬防渗。内设钢衬防渗效果好, 工程上运 用的案例很多, 技术成熟。此外, 工程上还采取提高 混凝土强度等级、 在混凝土蜗壳一定范围内使用抗 (限)裂纤维材料或采用预应力混凝土蜗壳的方法。 提高混凝土强度等级会带来水化热增大, 引起温度裂 缝的问题。抗( 限)裂纤维作为一种较为实用且规范 性
5、的材料, 其性能指标是优越的, 应用及推广均有章 可循, 但因为其在混凝土单位体积中的造价较高, 难 以适应较大体积的混凝土浇筑2。 预应力混凝土蜗壳通过预先对蜗壳结构上相对 薄弱的部位施加应力, 可减小控制截面的弯矩值, 将 轴向拉应力转化为轴向压应力或减小轴向拉应力量 值, 从而限制裂缝宽度, 以满足防渗要求。具有承载 力高、 抗裂性好、 变形小、 防渗性好等特点3。我国高 坝洲水电站混凝土蜗壳采用预应力方案进行加固, 蜗 壳运行1 a后, 经监测发现, 整个蜗壳基本呈受压状 态, 未发现有裂缝, 说明其运行状态是良好的4。但 是, 预应力混凝土蜗壳也有它的不足之处, 如预应力 技术在复杂
6、结构中可实施性和可靠性较差、 工程经验 不足、 预应力筋的布置影响结构设计等。 目前对混凝土蜗壳防渗问题的研究还不充分, 以上工程措施虽然在实际工程中均有运用, 但其对 裂缝开展的控制和受力特性的影响尚不明确, 各措 施均有其自身的优越性和局限性, 目前工程界对混 凝土蜗壳的防渗问题还没有形成完全统一的认识。 本文将结合某水电站工程实际, 研究普通强度混凝 土加防渗钢衬、 高强混凝土、 钢纤维混凝土、 环氧砂 收 稿 日 期 : 2015-09-11;修 回 日 期 : 2015-10-01 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 51179141) 作 者 简
7、 介 :张 志 川 ( 1990-), 男 , 江 西 宜 春 人 , 助 理 工 程 师 , 硕 士 , 主 要 从 事 工 程 造 价 咨 询 方 面 的 工 作 , ( 电 话 ) 13881964275(电 子 信 箱 ) 1344105126 。 通 讯 作 者 :伍 鹤 皋 ( 1964-), 男 , 江 西 宜 丰 人 , 教 授 , 博 士 , 主 要 从 事 地 下 工 程 与 压 力 管 道 、 水 电 站 厂 房 结 构 方 面 的 研 究 , ( 电 话 ) 13808691481 (电 子 信 箱 )wbfl988 。 第 12期张志川等河床式水电站混凝土蜗壳防渗措施
8、研究129 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 开裂应变/10_4 开裂应变/10-4 (a)应力-开裂应变曲线 (b)损伤-开裂应变曲线 图图2 C25混凝土应力混凝土应力-开裂应变与损伤-开裂应变曲线开裂应变与损伤-开裂应变曲线 Fig.2 Curves of tension stress and tension damage vs. cracking strain of concrete C25 3计算方案 为综合比较不同混凝土强度等级、 抗 ( 限) 裂材 料、 防渗层设置与否对蜗壳部位混凝土开裂的影响, 本文进行了 6 个方案的计算对比, 如表2 所示_ 表表2计
9、算方案计算方案 Table 2 Different calculation schemes 方案 蜗壳混凝土等级_是否设置防渗层方案 蜗壳混凝土等级_是否设置防渗层 A普 通普 通C2525 否否 B普 通普 通C4040 否否 C钢纤维钢纤维CF4040 否否 D普 通普 通C2525蜗壳内表面15 蜗壳内表面15 mil1环氧砂浆 1环氧砂浆 E普 通普 通C2525蜗壳内表面15 1蜗壳内表面15 1mm钢衬钢衬 F预应力混凝土 预应力混凝土 C2525 无无 4计算结果分析 4 . 1混 凝 土 损 伤混 凝 土 损 伤 由损伤图对比分析可知, 各方案混凝土的损伤 表表1材料力学参数材
10、料力学参数 Table 1 Mechanical parameters of materials 材料材料 弹性模弹性模 觉/MPa 泊松泊松 比比 重度重度/ 抗压强抗压强 (kN m3 ) jt/MPa 抗拉强抗拉强 度度/MPa 普通钢筋普通钢筋 2.06X1050.30078.5310.0310 预应力钢绞线预应力钢绞线 1.95xl 50.30078.51 380.01 380 C2 5混凝土混凝土2.80X1040.16725.011.91.27 C4 0混凝土混凝土3.25xl 40.16725.019.11.71 CF4 0钢纤维混凝土钢纤维混凝土3.25xl 40.16725
11、.019.12.20 环氧砂浆环氧砂浆 1.36X1040.20023.4彡彡10 非线性计算时采用a b a q u s软件中的混凝土 损伤塑性模型来模拟混凝土的开裂以及开裂后的软 化、 损伤和塑性变形等力学特性 该模型具有较 好的收敛性, 在蜗壳结构的非线性问题分析中已经 有较好的运用74, 其定义的单轴拉伸应力软化曲 线和拉伸损伤曲线如图2(以C25混凝土为例) 所 示。若损伤值等于 ,则表示混凝土的拉应力小于 抗拉强度, 结构未损伤, 处于线弹性的应力-应变阶 段;若损伤值等于1, 则表示结构完全损伤, 已失去 承载能力;若损伤值在和 1 之间, 则表示结构仍有 剩余强度, 处于拉伸软
12、化阶段。 楽材料、 预应力混凝土等措施对混凝土蜗壳开裂特 性和裂缝宽度的影响, 综合考虑施工工艺、 成本、 耐 久性和可靠性等因素, 提出一两种更为合理有效的 防渗措施, 供工程实际参考。 2计算条件 某河床式水电站采用混凝土蜗壳结构, 平面包 角 210, 具有不对称梯形断面#进口断面处边墙厚 4.0 m, 最大净高15.0 m;顶板最小厚度5.0 m, 上承 水轮机机墩, 并为水轮机层楼面;流道范围最大平面 净宽为28.0 m;正常运行工况下, 蜗壳设计内水压力 为0.6 MPa。由于水头高, 规模大, 加上蜗壳具有高 侧墙、 大进口断面、 不对称梯形轮廓, 受力条件不利, 在混凝土蜗壳中
13、具有一定的代表性。 本文建立了三维整体模型, 采用有限元软件 A B A Q U S进行计算, 计算模型如图1 所示, 各材料的 力学参数见表1。普通钢筋、 预应力钢绞线、C25和 C40混凝土的材料力学参数按 水工混凝土结构设 计规范 (DL/T 50572009)采用,CF4 0 钢纤维混 凝土的材料力学参数按中国工程建设标准化协会制 定的 钢纤维混凝土结构设计与施工规程 中相关 规定计算所得, 环氧砂浆的材料力学参数根据 环 氧砂浆技术规程 中相关规定及参考新安江电站 5 中使用的环氧砂浆材料性能指标来综合取值。预应 力混凝土蜗壳中预应力筋选用1 860 M P a级的预应 力钢绞线,
14、单束预应力筋由12根 7 0 5 钢绞线集束 制备, 设计控制张拉力为2 000 kN。 (C)蜗壳周围钢筋网格 图图1蜗壳断面和计算模型示意图蜗壳断面和计算模型示意图 Fig.1 Schematic diagram of the section and calculation model of spiral case 130 长江科学睫院报 2016 # 区分布大致相同, 但是损伤程度各异, 各计算方案蜗 壳混凝土的损伤如图3 所示。在机组中心线上游, 蜗壳断面孔口尺寸最大, 而顶板、 底板和边墙厚度却 相对最薄, 这些部位损伤较严重左侧边墙外表面 中部位置, 顶板、 底板内表面与边墙相交处
15、是蜗壳混 凝土损伤最为严重的地方。 各方案采用不同的防渗措施, 相应的混凝土损伤 程度也不一样a方 案A蜗壳部位采用普通强度混凝 土 C25, 内表面没有设置防渗层, 在 6 个方案中混凝 土损伤最严重;方案B相对方案A提高了混凝土的 强度等级, 蜗壳外围混凝土的损伤范围有所降低, 但 是蜗壳薄弱部位的混凝土损伤仍然较严重;方案C采 用钢纤维混凝土, 混凝土的损伤范围和程度均明显降 低 , 说明钢纤维混凝土能有效改善混凝土的损伤情 况。 方 案D蜗壳内表面设置环氧砂浆层, 由计算可 知环氧砂浆的最大主应力为4.83 M P a, 通常环氧砂 浆的抗拉强度可达1 M P a以上, 因此该环氧砂浆
16、 层不会开裂。但环氧砂浆层,对蜗壳外围混凝土损伤 开裂的限制作用较小, 混凝土的损伤范围和程度与 方 案A基本相同。方 案E采用防渗钢衬后, 蜗壳部 位混凝土的损伤情况基本没有改善, 说明防渗钢衬 一般作为防渗层使用, 对改善结构受力和控制混凝 土损伤的效果不明显。但是在蜗壳内表面设置防渗 层后, 蜗壳部位混凝土的裂缝宽度限值可以提高, 从 而达到防渗的目的。 方 案F采用预应力措施加固后, 混凝土的损伤 范围和程度大大降低, 最大损伤值由方案A的0.963 降低至0.657,结构上相对薄弱位置的损伤情况也都 得到很大程度的改善。说明采用预应力混凝土蜗壳 能有效改善蜗壳部位混凝土的损伤, 从而
17、限制裂缝 的开展, 起到防渗的目的。 4 . 2钢筋应力钢筋应力 为了解蜗壳关键部位的钢筋应力, 选取蜗壳进 口 1#断面、 0断面和90断面, 将各个断面特征点的 环向钢筋应力列于表3,典型断面位置如图1(a)所 示 。此外, 各方案下整个蜗壳流道周围钢筋的最大 应力值也列于表3。 表3蜗壳典型断面特征点环向钢筋应力 及流道周围钢筋最大应力 Table 3 Circumferential rebar stresses at feature points in typical sections and maximum stresses of rebar around flow passage
18、of the spiral case MPa 方 案 i #断面断面 90。 断面. _最大钢 底板顶板.左違墙底板顶 板 左 边 墙 底 板顶板 筋座力 A38.6349.6917.5999.3543.7459.585.392.38103.78 B41.2047.3117.3188.0326.3963.804.851.8693.98 C39.4240.5515.9676.4018.4157.415.101.9082.83 D35.6643.0516.7976.2331.4942.795.473.4380.22 E35.3445.4215.4286.5438.8048.874.931.6490
19、.58 F23.0329.4710.6841.6114.3823.012.23-1.3447.37 钢筋的应力大小与混凝土的损伤情况有关, 蜗 壳断面附近混凝土损伤最严童, 相应地该部位钢 筋应力最大。蜗壳进口 1#断面由于尺寸大, 结构相 对薄弱, 该区域的钢筋应力也较大。0断面以后, 沿 着水流向, 断面尺寸逐渐减小, 混凝土损伤程度降 低 , 钢筋的应力也逐渐减小, ,至 90断面已经是很小 的拉应力或压应力。 方 案A没有采取任何防渗措施, 结构受力相对 损伤值损伤值 H-0.963 -0.884 -0.805 -0.725 H-0.646 -0.566 H-0.487 -0.407
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- 河床 水电站 混凝土 防渗 措施 研究
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