王溢波，張宏戰(zhàn)，馬震岳，劉興寧，洪振偉

(1.大連理工大學 水利工程學院，遼寧 大連116024;2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明650051)

近年來，隨著大型常規(guī)電站和抽水蓄能電站的興建，水輪機單機容量越來越大，最大已達到了700 MW，作為水輪發(fā)電機組重要組成部分之一的蝸殼結構，隨著HD值急劇增加(H指蝸殼承受的水頭，D指蝸殼進口斷面的直徑)，體型也日趨巨型化，大型水電站蝸殼結構的靜動力特性研究也受到了越來越多的關注。高水頭大型蝸殼必然采用金屬蝸殼，鋼蝸殼的埋設方式?jīng)Q定其鋼襯和外圍混凝土之間的受力形式和荷載分擔比例，一般有敷設墊層_、保壓澆筑和直接埋設三種形式。對于大型蝸殼，我國采用保壓澆筑方式的較多，如三峽左岸電站、小灣、糯扎渡等。近年來也開始在巨型機組中采用墊層和直埋方式(或者混合方式)，如拉西瓦、三峽右岸電站和地下電站、溪洛渡等。近年，結合大型工程開展了大量的蝸殼結構模型試驗[1－7]和數(shù)值模擬[8－15]研究，在受力與變形特性分析、承載比例確定和優(yōu)化設計等方面取得了豐富成果，推動了理論創(chuàng)新和技術進展，支撐了大型工程建設。

糯扎渡水電站蝸殼進口直徑7.0 m，尺寸巨大，蝸殼內(nèi)正常運行水壓力為2.22 MPa，最大水壓力(含水擊壓力)為2.80 MPa，承受的內(nèi)水壓力較高，HD值為1 960 m2。電站蝸殼采用保壓澆筑方式，保壓水頭為1.80 MPa。對該電站保壓蝸殼結構進行仿真材料結構試驗，研究設計荷載和超載情況下鋼蝸殼及外圍混凝土的應力和變形，同時檢驗結構的超載安全度，對節(jié)省工程投資和提高技術水平，具有十分重要的意義。本文結合糯扎渡工程的保壓澆筑蝸殼結構設計，介紹了模型試驗研究成果，為工程設計提供技術依據(jù)，也為其他大型工程的蝸殼埋設方式選擇和設計優(yōu)化提供參考。

1 試驗概況

1.1 模型制作

模型取一個標準機組段做為模型試驗的研究對象，上下游方向取至巖石邊界(廠橫0+0.00—廠橫0+29.00)，共計29 m;左側以機組段永久縫為界，右側取至蝸殼外包混凝土右邊界，共計28 m;在高度方向，上取至下機架基礎高程596.05 m，下取至高程578.5 m，共計17.55 m。模型與原型的幾何比尺采用1∶10。糯扎渡水電站蝸殼保壓澆筑時，進口保壓悶頭設在廠房內(nèi)部。自蝸殼上游端面向下游側3.5 m范圍內(nèi)的蝸殼直管段，并非采用保壓澆筑，而是在保壓澆筑完成后，切掉悶頭，在現(xiàn)場焊接該段鋼蝸殼，并在鋼蝸殼上半圓范圍內(nèi)敷設彈性墊層。由于鋼蝸殼模型的加工制作問題，仿真試驗中沒有模擬進口3.5 m范圍內(nèi)的彈性墊層的作用，整個蝸殼模型均采用充水保壓蝸殼進行模擬。

模型中采用直徑為8 mm的HRB400螺紋鋼筋模擬原型的鋼筋，鋼筋的屈服強度為484 MPa，極限強度為602 MPa，遵照配筋率相等的原則對模型進行配筋，見圖1。模型中采用與原型相同強度等級的C25商品混凝土，與模型試驗同期實測混凝土彈性模量為 25.9 GPa，劈拉強度為 2.81 MPa，立方體抗壓強度33.2 MPa?；炷翝仓宛B(yǎng)護28 d內(nèi)內(nèi)水壓力維持在1.80 MPa，室內(nèi)溫度在14℃ ～16℃之間。完成養(yǎng)護拆模后的蝸殼模型見圖2。

1.2 測試斷面和測點布置

測試內(nèi)容主要包括鋼蝸殼、鋼筋和混凝土應變和應力;機墩下機架基礎、上環(huán)板的豎向變形，蝸殼外圍混凝土的徑向變形;內(nèi)水壓力的測量;裂縫寬度的測量。量測斷面布置見圖3。在鋼蝸殼外表面布置51個測點，102個應變計。主要受力鋼筋上布置應變計，共112個。典型斷面上沿若干角度的徑向布置應變計，圖4表示的是進口斷面的應變測點布置。

圖1 模型整體實際配筋圖

圖2 完成養(yǎng)護的蝸殼模型

圖3 量測斷面分布圖

圖4 模型上游斷面混凝土應變測點布置圖

在澆筑混凝土后的聯(lián)合承載試驗時，對應下機架基礎、上環(huán)板高程，在 1#、3#、5#和 7#斷面鉛直向各布置1個位移傳感器。在這四個斷面外側腰線位置各布置1個水平徑向位移傳感器，位移傳感器共計12個，見圖5。

圖5 位移計測點布置

2 試驗荷載和試驗方案

試驗荷載重點考慮內(nèi)水壓力，不考慮上部機組荷載和自重。在外圍鋼筋混凝土澆筑養(yǎng)護成型后，按下列步驟進行聯(lián)合承載試驗:

(1)進行內(nèi)水壓力不超過1.80 MPa作用下各測點的應力和位移量測，并研究保壓水頭下蝸殼與混凝土的貼合情況，重復3次。

(2)減小荷載級差繼續(xù)加載，觀測混凝土的開裂情況。直到內(nèi)水壓力加至2.80 MPa，測量計算鋼蝸殼、鋼筋和混凝土的應變、應力和位移，復核設計內(nèi)水壓力下結構的強度。重復加載12次。

(3)繼續(xù)分級加載進行超載試驗，研究結構的破壞形態(tài)、承載能力及超載安全度，觀察裂縫開展情況和寬度。

3 試驗結果與分析

3.1 鋼襯應力

表1給出了混凝土澆筑前后各斷面鋼蝸殼的環(huán)向平均應力、最大應力以及環(huán)向平均應力與明鋼蝸殼對應值之比。聯(lián)合承載試驗時，當內(nèi)水壓力達到設計保壓值1.80 MPa時，鋼蝸殼的最大環(huán)向應力值為179.1 MPa，位置與明鋼蝸殼對應位置相同，位于1#斷面上碟邊測點處。與明鋼蝸殼在1.80 MPa水壓下的試驗結果相比，環(huán)向應力最大值和高應力測點數(shù)明顯下降。由表1可以看出，在保壓水頭1.80 MPa下，混凝土澆筑后鋼蝸殼各斷面環(huán)向平均應力值與明鋼蝸殼應力的比值介于75.3% ～110.9%之間，說明在保壓水頭下，鋼蝸殼雖已與混凝土貼合，但內(nèi)水壓力仍主要由鋼蝸殼承擔。

當內(nèi)水壓力達到2.80 MPa時，鋼蝸殼的最大環(huán)向應力值為217.9 MPa，位置與明鋼蝸殼環(huán)向應力最大值發(fā)生的位置相同，各斷面鋼蝸殼的環(huán)向平均應力介于82.7 MPa～135.2 MPa之間。鋼蝸殼的水流向應力與環(huán)向應力相比數(shù)值較小，最大值為129.9 MPa，位于5#斷面底部。內(nèi)水壓力為2.80 MPa下，鋼蝸殼各測點的應力值均小于鋼材的允許應力，可以滿足強度要求。

表1 混凝土澆筑前后鋼蝸殼各斷面環(huán)向平均應力

3.2 鋼筋應力

當內(nèi)水壓力達到設計保壓值1.80 MPa時，環(huán)向鋼筋應力值很小，且表現(xiàn)為有正有負，拉應力最大值僅為7.8 MPa，位于8#斷面腰線以上60°外層環(huán)向鋼筋測點處;水流向鋼筋應力均為正值，但拉應力最大值僅 4.80 MPa。1#、3#和 8#斷面機墩與水輪機層地面交界處沿豎向鋼筋和縱向鋼筋應力介于0.60 MPa～4.40 MPa之間。當內(nèi)水壓力達到2.80 MPa時，內(nèi)側環(huán)向鋼筋應力最大值為21.4 MPa，發(fā)生在8#斷面腰線以上60°測點處。外層環(huán)向鋼筋應力最大值為31.40 MPa，發(fā)生在1#斷面腰線以上60°測點處。水流向鋼筋應力最大值僅9.40 MPa，位于3#斷面頂部測點。機墩豎向鋼筋應力最大值為20.60 MPa，位于1#斷面機墩底部。水輪機層地面與機墩交界處廠房縱向鋼筋應力最大值為53.40 MPa，位于8#斷面處。

3.3 結構位移分析

圖6給出了機墩下機架基礎高程典型測點豎向位移隨內(nèi)水壓力的變化關系，由圖6可看出，各測點的位移隨著內(nèi)水壓力的增大緩慢增加，而當內(nèi)水壓力達到1.80 MPa后，各測點位移迅速增大。由此說明，在內(nèi)水壓力低于1.80 MPa時，鋼蝸殼僅局部位置與混凝土貼合，外圍混凝土承擔的內(nèi)水壓力很小，位移值也很小。當內(nèi)水壓力達到1.80 MPa后，鋼蝸殼與外圍混凝土整體貼合，開始聯(lián)合受力，混凝土結構的位移也隨即迅速增大。

圖6 機墩下機架基礎高程豎向位移－內(nèi)水壓力

3.4 開裂和裂縫分布

在正常運行內(nèi)水壓力2.22 MPa下，鋼筋應力最大不超過15 MPa。外圍為混凝土局部最大應變150 με，一般在15 με以下，未發(fā)現(xiàn)可見裂縫。荷載加至2.3 MPa時，在上游端面左側蝸殼與機墩交角出現(xiàn)第一條裂縫，裂縫從交角位置指向鋼蝸殼進口斷面圓心方向;荷載加至2.40 MPa時，裂縫L1擴展，同時在8#斷面和1#斷面之間，沿蝸殼和機墩的交界線發(fā)現(xiàn)第二條裂縫L2;內(nèi)水壓力加至2.50 MPa時，在上游端面和8#斷面之間，沿蝸殼和機墩的交界線發(fā)現(xiàn)裂縫L3;當內(nèi)水壓力加至2.80 MPa時，裂縫L3和L2連通形成新的裂縫L2，并向上下游側方向發(fā)展，向上游側延至上游端面并與L1連通，混凝土應變值由內(nèi)向外逐漸增大，應變值分別為152 με和456με，顯示裂縫接近貫通。裂縫開展范圍見圖7。

圖7 外圍混凝土裂縫分布圖

式中:Cω、CL分別為裂縫寬度的相似系數(shù)和幾何相似常數(shù);ωp、ωm分別為原型裂縫寬度和模型裂縫寬度;Np、Nm分別為裂縫分布范圍內(nèi)與裂縫正交原型鋼筋根數(shù)和模型鋼筋根數(shù)。根據(jù)上式換算，原型結構最大裂縫寬度為0.25 mm，小于規(guī)范要求的裂縫寬度限值。

3.5 混凝土開裂后蝸殼重復加載試驗結果分析

為考察裂縫擴展和寬度變化情況，在0～2.80 MPa壓力范圍內(nèi)重復加載12次。蝸殼初裂后，內(nèi)水壓力完全卸載，裂縫不能完全閉合，殘余裂縫寬度約為0.04 mm。重復加載12次后，殘余裂縫寬度并未增大。經(jīng)12次重復加載，裂縫L1貫穿至鋼蝸殼，寬度沒有明顯變化;裂縫L2的擴展范圍也沒有明顯變化。

第12次重復加載后，在蝸殼進口左側立面頂部發(fā)現(xiàn)一系列垂直水流方向的細微裂縫，裂縫延伸長度不超過100 mm，裂縫寬度在0.02 mm ～0.05 mm之間。分析其原因是:模型試驗時，在蝸殼上游側安裝了平板悶頭，由于其約束作用使得蝸殼直管段承受較大的水流向拉力。而實際工程中并沒有悶頭，水流向拉力也不存在的，因而不會產(chǎn)生此種裂縫。除此之外，重復加載試驗中，模型結構上沒有出現(xiàn)其他新的裂縫。

3.6 超載試驗結果與分析

荷載最終加至設計內(nèi)水壓力的1.5倍，即4.2 MPa，進一步分析模型的破壞形態(tài)和超載能力。內(nèi)水壓力超過2.80 MPa后，鋼蝸殼各測試斷面的環(huán)向應力隨著內(nèi)水壓力的增大持續(xù)增大，特別是內(nèi)水壓力超過3.0 MPa后，內(nèi)水壓力－應力曲線斜率變小，鋼蝸殼環(huán)向應力的增速變大，這是由于蝸殼混凝土開裂導致整體剛度降低、鋼蝸殼的承載比例增大所

當內(nèi)水壓力加至2.80 MPa時，裂縫L1最大寬度為0.08 mm，參照文獻[15]可推導出原模型間裂縫寬度的相似系數(shù):

致。當內(nèi)水壓力達到4.20 MPa時，各測試斷面的平均環(huán)向應力介于100.97 MPa～180.46 MPa之間，應力最大值為311.01 MPa。因此，在1.5倍的設計內(nèi)水壓力下，鋼蝸殼各測點的應力值仍小于鋼材的允許應力，超載安全裕度較大。當內(nèi)水壓力超過2.80 MPa后，各斷面的環(huán)向鋼筋應力繼續(xù)增大，超過3.0 MPa后，各斷面上下碟邊、腰線與頂部之間的各測點的環(huán)向拉應力迅速增大，說明裂縫擴展，鋼筋混凝土承載比例增大。當內(nèi)水壓力達到 4.20 MPa 時，2#、3#、8#斷面腰線以上60°處(位于機墩拐角與對應蝸殼圓心的連線上)位置附近的環(huán)向鋼筋應力分別達到126.4 MPa、137.6MPa、213 MPa?？傊?，各測點鋼筋應力均未超過鋼筋的屈服強度。

圖8給出了在4.20 MPa下，1#和8#測試斷面鋼蝸殼和鋼筋的環(huán)向應力分布圖。位于1#～3#、8#斷面機墩與蝸殼頂面交界線上鋼筋應力較大，多個測點的鋼筋應力超過200 MPa，接近或超過100 MPa的測點也很多。鋼筋應力的分布規(guī)律與裂縫L2的位置一致，說明蝸殼頂面混凝土較薄，特別是與機墩的交角處，結構截面突變，是蝸殼的薄弱部位。此外1#～4#、8#斷面腰線處內(nèi)層環(huán)向鋼筋應力也都接近或超過了50 MPa，說明內(nèi)部混凝土已經(jīng)開裂。

圖8 典型斷面上鋼蝸殼和鋼筋環(huán)向應力分布(4.20 MPa)

超載情況下的裂縫分布見圖9。內(nèi)水壓力超過2.8 MPa后，裂縫 L1的寬度顯著增大，內(nèi)水壓力為3.9 MPa和 4.2 MPa時，裂縫寬度分別達到 0.20 mm和0.26 mm。裂縫L4出現(xiàn)較晚，但擴展速度較快，內(nèi)水壓力達到3.9 MPa后，在蝸殼頂面貫通，并沿側面向下延伸，內(nèi)水壓力為4.2 MPa時，裂縫寬度為0.10 mm。

圖9 超載試驗模型裂縫示意圖

4 結語

(1)模型試驗是大型蝸殼受力、變形和裂縫特性研究的重要手段，可以為設計提供準確的參考依據(jù)。模型試驗結果表明，在保壓水頭和設計內(nèi)水壓力下，鋼蝸殼應力、鋼筋應力、混凝土應變均在強度許可范圍內(nèi)，僅出現(xiàn)表面裂縫，最大裂縫寬度為0.08 mm，換算至原型最大裂縫寬度為0.25 mm，小于規(guī)范規(guī)定的限值。說明設計保壓值選取是合適的。

(2)在最大設計內(nèi)水壓力2.80 MPa下，裂縫連通，但裂縫寬度較小，重復加載后裂縫寬度沒有增大，范圍沒有擴展，說明裂縫是穩(wěn)定的。蝸殼應力、鋼筋應力和混凝土應變均滿足強度要求。說明蝸殼設計是合理的、安全的。

(3)在1.5倍的設計內(nèi)水壓力下，鋼蝸殼的應力仍小于材料的允許應力，說明鋼蝸殼是安全的。蝸殼頂面裂縫L2擴展，并有新的裂縫出現(xiàn)，開裂范圍較大，裂縫附近多個測點鋼筋應力超過200 MPa，但鋼筋應力尚未超過屈服強度。說明結構的超載能力較強。

(4)蝸殼頂面混凝土較薄，特別是進口段與機墩的交角處，開裂比較嚴重。因此，該位置屬于薄弱部位，建議采取一定的局部加強措施，如倒角等。

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