彭薇薇，王 波

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，成都，610072)

1 概述

瀑布溝水電站位于大渡河中游漢源縣和甘洛縣境內(nèi)，是四川省腹地附近最近的一座具有大型水庫綜合利用的水電工程。電站采用地下廠房，廠內(nèi)安裝6臺單機容量600MW的混流式水輪發(fā)電機組，年發(fā)電量147.9億kW·h。水輪機額定水頭156.7m，最大靜水頭181.7m，最小靜水頭114m，單機額定引用流量435m3/s。

瀑布溝水電站設(shè)計水頭高、單機引用流量大，HD值約1400，水輪機組采用下機架支承、鋼蝸殼與外圍混凝土聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)。鋼蝸殼設(shè)計內(nèi)水壓力2.45MPa，鋼蝸殼安裝后以1.5倍內(nèi)水壓力(即3.68MPa)進行水壓試驗，在充水穩(wěn)壓于1.40MPa下澆筑外圍混凝土。

瀑布溝機組機墩屬矮機墩，因此將機墩、蝸殼及其外圍混凝土結(jié)構(gòu)作為整體進行計算。分析工作包括三維有限元數(shù)值計算和三維仿真材料模型試驗，研究蝸殼結(jié)構(gòu)在各種工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變位、荷載分配、運行穩(wěn)定性及外圍鋼筋混凝土的開裂狀態(tài)、安全儲備等。在實施階段，針對充水保壓蝸殼特點，就水壓試驗、混凝土澆筑等提出要求，使蝸殼聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)運行有較好的保障。

2 蝸殼外圍混凝土三維有限元結(jié)構(gòu)計算

瀑布溝廠房1#、3#、5#機蝸殼由加拿大GE公司制造，分 28節(jié)拼裝;2#、4#、6#機蝸殼由東方電機廠制造，分36節(jié)拼裝。

蝸殼聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)采用了三維有限元(ANSYS)、三維非線性分析(ABAQUS)、三維動力有限元等三種方法計算，機墩結(jié)構(gòu)包含在鋼蝸殼與外圍混凝土聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)分析中。在計算與試驗成果的基礎(chǔ)上，經(jīng)綜合分析進行強度設(shè)計。

2.1 蝸殼參數(shù)

根據(jù)引水發(fā)電系統(tǒng)的布置，采用單機單管的形式與廠房機組聯(lián)接，壓力管道與廠房縱軸線呈61°交角，并在鋼管與鋼蝸殼之間設(shè)置長2.50m(GE)、1.00m(東電)的聯(lián)接段(湊合節(jié))。

蝸殼進口內(nèi)徑同壓力管道，為8.00m，蝸殼進口直段長8.20m。以 1#、3#、5#機為例，蝸殼最大外形尺寸 20.238m，殼體鋼板厚 17.7mm～51.9mm(蝶邊厚40mm～80mm)，單機蝸殼總重量約為279000kg。典型鋼蝸殼單線圖見圖1。

2.2 三維有限元計算

瀑布溝電站廠房蝸殼HD值達(dá)1400m2，采用充水保壓方式的關(guān)鍵是確定鋼蝸殼的充水預(yù)壓值。通過蝸殼外圍混凝土應(yīng)力計算(典型三維有限元分析模型見圖2)結(jié)果分析，保壓值越高，聯(lián)合承載的內(nèi)水壓力值越低，總體的應(yīng)力水平也較低，都不會造成布置鋼筋過密和開裂范圍過大的情況。正常運行工況下混凝土拉應(yīng)力均小于1.1MPa，可以確保結(jié)構(gòu)安全和蝸殼穩(wěn)定運行。在檢修工況下，由于鋼蝸殼與外圍混凝土僅承受結(jié)構(gòu)自重和設(shè)備荷載，因此該工況外圍混凝土各斷面切向應(yīng)力多為壓應(yīng)力，即使出現(xiàn)拉應(yīng)力，數(shù)值也非常小。但是鋼蝸殼保壓值越高，形成的初始縫隙越大，當(dāng)運行期管內(nèi)水頭較低時，可能造成鋼蝸殼脫空，對機組穩(wěn)定不利。因此鋼蝸殼保壓值的確定，不僅要考慮外圍混凝土應(yīng)力的影響，而且要考慮保證機組長期穩(wěn)定運行。瀑布溝水電站在綜合各方面情況后，鋼蝸殼保壓值確定為140m，即0.77倍設(shè)計靜水頭。

2.3 非線性有限元計算

為了研究蝸殼外圍混凝土的開裂特性和變形，對保壓水頭下的蝸殼與外圍混凝土結(jié)構(gòu)進行了非線性有限元計算和分析。典型配筋圖見圖3。

圖3 典型配筋圖

計算表明，鋼蝸殼切向應(yīng)力都表現(xiàn)為拉應(yīng)力，同一斷面應(yīng)力最大值一般出現(xiàn)在管殼與座環(huán)上環(huán)板相連處，鋼蝸殼的最大環(huán)向應(yīng)力為38.91MPa;水流向應(yīng)力較環(huán)向應(yīng)力小，均不超過10MPa。座環(huán)的應(yīng)力分布規(guī)律與線彈性基本相似，固定導(dǎo)葉偏心受拉，但是應(yīng)力水平比線彈性的要高，最大拉應(yīng)力達(dá)53.13MPa。鋼蝸殼總體應(yīng)力水平均遠(yuǎn)低于鋼材的設(shè)計強度。

內(nèi)外層環(huán)向鋼筋隨著管徑的減小，鋼筋應(yīng)力也隨之減小，最大值出現(xiàn)在與座環(huán)上環(huán)板相連處，為43.59MPa;內(nèi)外層水流(平)向鋼筋隨管徑的變小而降低，應(yīng)力最大值為4.360MPa，且內(nèi)外層水流(平)向鋼筋應(yīng)力水平均遠(yuǎn)低于環(huán)向鋼筋應(yīng)力。

混凝土裂縫主要出現(xiàn)在蝸殼進口段斷面直徑較大處。由于上環(huán)板與蝸殼連接處混凝土最薄，因此該部位裂縫寬度最大，達(dá)到0.10mm的徑向裂縫，滿足規(guī)范要求的最大裂縫寬度不超過0.25mm。

在內(nèi)水壓力和其他荷載共同作用下，在一、四象限安裝高層以上的混凝土有明顯的上抬趨勢，其他部分混凝土Y向的位移還是以負(fù)值為主，其中最大合位移為0.95mm。從各斷面位移與線彈性計算結(jié)果比較，其值均大于線彈性計算結(jié)果，說明混凝土開裂后對機墩的變形有不利的影響。但位移沿圓周的分布還算比較均勻，這對于機組安全穩(wěn)定地運行是有利的。

2.4 三維動力有限元計算

水電站廠房水下大體積混凝土是承受機組動荷載的主體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，設(shè)備開孔眾多，因此要求結(jié)構(gòu)體系具有足夠的整體剛度來承受機組振動荷載。為此采用三維動力有限元方法，對水下大體積混凝土結(jié)構(gòu)進行自振特性分析，計算蝸殼結(jié)構(gòu)的各階頻率和振型，為蝸殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

三維動力有限元計算主要對蝸殼結(jié)構(gòu)的自振特性進行，并對有可能引起廠房結(jié)構(gòu)振動的各振源及其頻率進行計算，與廠房結(jié)構(gòu)的自振頻率進行共振校核。

從計算結(jié)果可知，由于瀑布溝水電站水下大體積結(jié)構(gòu)本身已具有較大的剛度，因此加強廠房結(jié)構(gòu)上下游邊界與圍巖的連接效果不太明顯，而從減小溫度應(yīng)力角度來講，應(yīng)該適當(dāng)放松結(jié)構(gòu)的上下游邊界與圍巖的連接。由于電氣夾層的存在和機墩外形尺寸較大，使得即使水輪機層至發(fā)電機層高差較大，約11.5m，但整體抗振效果仍良好，沒有出現(xiàn)局部梁柱的振動。

為了避免機組運行與廠房結(jié)構(gòu)之間的共振，需要對各振源頻率進行計算分析，根據(jù)制造廠家提供的資料，機組固有振動頻率為:額定轉(zhuǎn)速時2.08Hz，飛逸轉(zhuǎn)速時4.33Hz。廠房整體結(jié)構(gòu)基頻與機組轉(zhuǎn)動時的固有頻率相差較大，不太可能會產(chǎn)生共振。廠房高階自振頻率與蝸殼中水流不均勻引起的振動(31.25Hz)相比，介于30%的范圍內(nèi)。因此由于水流不均勻引起振動的可能性較大。

3 蝸殼三維仿真材料模型試驗

瀑布溝水電站取原型一個標(biāo)準(zhǔn)機組段范圍作為模型試驗研究的對象，蝸殼模型與原型的幾何比尺采用1∶10。上下游方向共計35.66m，兩側(cè)以機組段永久縫為界，共計33.00m;上部取至定子基礎(chǔ)高程671.70m，下部取至尾水管直錐段底部高程649.80m，在高度方向上為21.90m。

3.1 試驗方案

在鋼蝸殼外圍混凝土澆筑并養(yǎng)護成型后，按以下步驟進行試驗:首先進行內(nèi)水壓力不超過1.4MPa作用下各測點的應(yīng)力和典型測點的位移量測，內(nèi)水壓力級差為0.2MPa～0.5MPa;然后，進行不超過設(shè)計內(nèi)水壓力值2.45MPa(含水擊壓力值)作用下各測點的應(yīng)力和典型測點的位移量測，內(nèi)水壓力級差為0.2MPa～0.5MPa，并重復(fù)多次;為研究模型結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)和承載能力及安全度，再以內(nèi)水壓力進行超載試驗，進行內(nèi)水壓力值不超過5.0MPa的超載試驗。重點研究蝸殼外圍混凝土的開裂荷載、裂縫開展規(guī)律，以及結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后，裂縫寬度與內(nèi)水壓力值之間的關(guān)系。

3.2 試驗成果分析

從試驗結(jié)果來看，模型整體澆筑情況下蝸殼結(jié)構(gòu)的初裂荷載(內(nèi)壓值)達(dá)到3.25MPa。在設(shè)計內(nèi)水壓力2.45MPa作用下，外圍混凝土不會開裂，相應(yīng)的鋼蝸殼和鋼筋應(yīng)力均低于鋼材的設(shè)計強度。在設(shè)計荷載作用下，由于混凝土沒有開裂，因此機墩絕對位移和不均勻上抬變位均比較小，不會對機組運行產(chǎn)生不利影響。模型混凝土出現(xiàn)裂縫并經(jīng)反復(fù)加載后，當(dāng)內(nèi)水壓力重新施加到2.45MPa時，鋼蝸殼的應(yīng)力有所增加，而混凝土中鋼筋應(yīng)力略有減小，說明蝸殼結(jié)構(gòu)在長期荷載作用下，由于裂縫的出現(xiàn)，使得蝸殼外圍鋼筋混凝土受力有一定的松弛，能更好地發(fā)揮鋼蝸殼的承載能力。當(dāng)蝸殼內(nèi)水壓力增加到3.85MPa時，鋼蝸殼的最大應(yīng)力為289.13MPa。當(dāng)蝸殼內(nèi)水壓力超載到7.0MPa時(相當(dāng)于設(shè)計內(nèi)水壓力的2.85倍)，鋼蝸殼局部斷面應(yīng)力達(dá)到了試驗用鋼材的屈服強度400MPa，但這些應(yīng)力值仍然沒有超過實際工程鋼蝸殼采用鋼材的屈服強度(約490MPa)。模型破壞開裂形態(tài)典型立視圖見圖4(圖4中數(shù)值為發(fā)生裂縫的內(nèi)水壓力值，單位MPa)。

圖4 模型破壞開裂形態(tài)典型立視圖

從試驗結(jié)果來看，本工程采用充水保壓蝸殼后，在設(shè)計內(nèi)水壓力2.45MPa作用下不會出現(xiàn)裂縫，機墩下機架基礎(chǔ)處的不均勻變形僅1.70mm，對結(jié)構(gòu)受力和減小機墩不均勻變形有利。隨著內(nèi)水壓力的不斷增大，蝸殼外圍混凝土中裂縫進一步擴展，同時不斷出現(xiàn)新的裂縫，使得結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)水壓力的關(guān)系逐漸脫離線性關(guān)系，增加幅度加快。當(dāng)超載到7.0MPa時，機墩下機架基礎(chǔ)處的不均勻變形已經(jīng)達(dá)到了22.05mm。

4 水壓試驗

蝸殼水壓試驗壓力值為3.68MPa，保壓澆注混凝土壓力值為140m水頭(1.40MPa)，要求水溫高于室溫但最低不低于10℃。GEHA要求水溫不應(yīng)低于20℃。

DFEM和GEHA各提供一套試驗用蝸殼進口鋼悶頭及座環(huán)密封環(huán)，供 6#、4#、2#機組和 5#、1#、3#機組依次使用，在保壓澆注混凝土完成后，悶頭將被逐次切割，再完成蝸殼進口與壓力鋼管的焊接。

蝸殼水壓試驗和混凝土澆筑總體施工程序為:蝸殼安裝完畢→澆筑蝸殼支墩二期混凝土(抗縮混凝土)、等強及縫面處理(同時在進口端焊接悶頭以及在座環(huán)內(nèi)安裝密封環(huán)，使蝸殼形成一個密封體)→充水加壓至保壓水頭→分層澆筑蝸殼外圍混凝土至666.2m高程，蝸殼混凝土施工完畢14d后卸壓并拆除悶頭。

5 蝸殼外圍混凝土澆筑

5.1 混凝土分塊分層

機組蝸殼層陰角部位是位于鋼蝸殼、座環(huán)與土建蝸殼支墩、座環(huán)支墩之間的一個體型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、范圍狹小的環(huán)形空間。主廠房蝸殼鋼筋和錐管外圍鋼筋綁扎后，鋼筋密集，陰角部位空間更為狹小，若通倉澆筑，由于蝸殼外圍施工相對方便，施工入倉速度較快，而陰角部位的混凝土入倉速度及飽滿程度難以得到保證，且人員很難進入倉面進行陰角部位混凝土施工及振搗，容易造成混凝土間形成冷縫或澆筑不飽滿，影響蝸殼層混凝土澆筑質(zhì)量。因此蝸殼層陰角部位混凝土可單獨澆筑，即沿蝸殼底部合適位置立模設(shè)置環(huán)向施工縫，采用退管法施工，將蝸殼陰角部位混凝土先行澆筑(不再分層)，為保證澆筑飽滿，陰角部位在環(huán)向上再分塊進行施工;在其施工完畢后，對縫面按施工縫進行鑿毛處理，再分層進行蝸殼外圍混凝土澆筑(不再分塊)。

蝸殼層混凝土底部基面位于不同高程平臺(與頂面最大高差為10m)，為滿足蝸殼混凝土施工需要，根據(jù)設(shè)計技術(shù)要求，結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，各機組除陰角部位外混凝土均分為4層進行施工。具體分層布置見圖5。

圖5 1#、3#、5#機組蝸殼混凝土澆筑分層圖

5.2 蝸殼層混凝土施工

5.2.1 混凝土級配

蝸殼層混凝土結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，鋼筋密集，現(xiàn)場施工空間狹小，為避免混凝土骨料架空、分離和盡量減少蝸殼陰角部位的脫空面積，蝸殼層混凝土級配根據(jù)不同的施工部位進行相應(yīng)調(diào)整:

①蝸殼中心線以內(nèi)陰角部位，底部采用二級配混凝土澆筑，中部及以上用一級配混凝土澆筑;蝸殼支墩二期抗縮混凝土采用一級配混凝土澆筑。

②蝸殼層除陰角部位以外鋼筋較密的地方根據(jù)情況可采用一級配混凝土進行澆筑。

③蝸殼外圍大體積混凝土布料機、溜槽入倉采用二級配混凝土。

5.2.2 混凝土入倉與澆筑

混凝土的入倉手段主要為固定式皮帶機+布料機入倉，輔助溜槽(溜管)、泵送、橋機+吊罐入倉，施工時采用多種施工手段相結(jié)合的方式進行施工。

蝸殼陰角部位混凝土單獨分塊先行施工，主要采用泵送方式入倉。根據(jù)分塊情況，陰角部位采用退管法施工，從最大的地方向最小的地方依次退管澆筑。為控制混凝土在陰角部位的流動，可設(shè)置臨時擋板。陰角部位混凝土上升到施工人員在陰角內(nèi)將無法振搗的位置時，混凝土的振搗改從蝸殼座環(huán)上預(yù)留的振搗孔上振搗。陰角部位澆筑完畢，在施工蝸殼外圍混凝土前對縫面進行人工鑿毛。

蝸殼層陰角外混凝土澆筑時，注意控制倉號內(nèi)混凝土澆筑速度:蝸殼中心線以下為30cm/h;蝸殼中心線以上為50cm/h，控制最大液態(tài)混凝土高度≤1.0m。施工時盡量對稱澆筑，均勻上升，廊道兩側(cè)混凝土澆筑要求對稱均勻上升。為避免混凝土出現(xiàn)冷縫，必須保證混凝土澆筑強度不低于40m3/h～65.3m3/h。

第一層混凝土澆筑在蝸殼支墩以內(nèi)的陰角部位混凝土已澆筑完畢后進行，混凝土澆筑時控制蝸殼周圍混凝土均勻上升至第一層分界線。第二、三、四層混凝土全斷面通倉薄層分層澆筑。

施工縫縫面處理盡量采用沖毛機，輔助人工鑿毛。沖毛作業(yè)在混凝土強度達(dá)到2.5MPa后進行，毛面處理開始的具體時間由試驗確定(一般沖毛時間大概控制在混凝土澆筑結(jié)束后24h(冬季)、22h(春秋季)、20h(夏季)進行)。

5.2.3 拆模及養(yǎng)護

混凝土澆筑完成后，待強度達(dá)到規(guī)范要求時方可拆模，拆模后人工鑿毛或沖毛，然后灑水養(yǎng)護，以保持混凝土表面經(jīng)常濕潤，避免裂縫的產(chǎn)生，養(yǎng)護時間為14d。

5.2.4 灌漿

蝸殼層混凝土澆筑后，需通過座環(huán)下的灌漿孔回填灌漿，灌漿壓力0.1MPa。座環(huán)陰角部位回填灌漿在座環(huán)陰角最高處布設(shè)一套灌漿系統(tǒng)，利用廠家在座環(huán)內(nèi)側(cè)面預(yù)留的灌漿孔在座環(huán)陰角最高處安裝出漿盒，引焊管至孔口，并用特制的內(nèi)、外絲堵頭與孔口連接，形成單獨回路進行灌漿。座環(huán)陰角部位除利用廠家預(yù)留的灌漿孔灌漿外，針對座環(huán)下因肋板等結(jié)構(gòu)需要形成的封閉區(qū)域，沿座環(huán)布置一根主灌漿管和一根回漿管，支管做成“U”形，進回漿管引至悶頭臨時通道坑內(nèi)，在蝸殼卸壓排水前20d左右進行補充灌漿?；靥罟酀{的水泥采用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比為0.5∶1(重量比)1個比級。在規(guī)定的壓力下，灌漿孔停止吸漿，再延續(xù)灌注5.0min，即可結(jié)束。

5.2.5 其它事項。悶頭臨時通道混凝土待蝸殼混凝土澆筑至666.20m高程后，拆除悶頭、安裝完剩余壓力鋼管后進行施工，澆筑前，需對四周老混凝土面進行處理。

5.3 實施進度實錄

從6#機蝸殼掛裝到蝸殼二期混凝土澆至水輪機層，主要工期實施見表3。

表3 蝸殼安裝及蝸殼二期混凝土澆筑主要工期實錄

6 蝸殼外圍混凝土監(jiān)測

為了檢驗鋼蝸殼與外圍混凝土聯(lián)合受力的實際效果，選擇3#機(GEHA)、2#機(DFEM)蝸殼和外圍鋼筋混凝土進行原型觀測。在3#、2#機蝸殼層需各選擇3個觀測斷面，分別位于縱軸線(AA)、橫軸線(B－B)及蝸殼進口漸變段(C－C)，見蝸殼層監(jiān)測平面布置圖3。在各斷面選擇性布置有鋼板應(yīng)變計、測縫計、鋼筋計、混凝土應(yīng)變計和無應(yīng)力計、壓力計等監(jiān)測儀器，以觀測鋼蝸殼與外圍鋼筋混凝土間縫隙在各種工況下開合度變化、量測鋼蝸殼環(huán)向和蝸向的應(yīng)力變化、量測蝸殼層外圍混凝土內(nèi)、外層鋼筋在機組安裝及各工況運行狀態(tài)下的應(yīng)力變化、量測蝸殼層外圍混凝土在機組安裝及各工況運行狀態(tài)下的應(yīng)力變化等。最后由于工期等影響，在1#(GEHA)、4#(DFEM)實施原型監(jiān)測。其中，4#機鋼筋應(yīng)力最大值達(dá)51.19MPa，蝸殼與混凝土之間縫隙最大達(dá)2.38mm。根據(jù)兩年多的實測數(shù)據(jù)可以判斷，4#機在正常運行狀況下，各項指標(biāo)正常，量值較小。

7 結(jié)論

大型鍋殼結(jié)構(gòu)施工在二灘電站取得成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，瀑布溝電站又作了大量的分析總結(jié)和研究工作，最終確定采用保壓1.40MPa下澆筑外圍混凝土。這樣鋼筋混凝土受力較二灘電站有較大幅度增加，在此保壓值下，不僅鋼蝸殼和外包鋼筋混凝土可以滿足材料強度要求，而且蝸殼外圍混凝土及機墩的剛度和變形也滿足結(jié)構(gòu)使用要求。在此基礎(chǔ)上，進一步通過三維仿真模型試驗，驗證了蝸殼的整體性好，并有較高的安全儲備能力。瀑布溝電站6臺機均已發(fā)電，蝸殼運行良好，外圍混凝土結(jié)構(gòu)也無異常。因此，蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的，滿足運行要求。