張志川，伍鶴皋，石長征

(1.中國電建集團(tuán) 成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072； 2. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

河床式水電站混凝土蝸殼防滲措施研究

張志川1，伍鶴皋2，石長征2

(1.中國電建集團(tuán) 成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072； 2. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中承受復(fù)雜荷載作用時容易開裂，由于裂縫的產(chǎn)生，蝸殼防滲設(shè)計(jì)是一個需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。鑒于混凝土蝸殼在中低水頭甚至高水頭電站中將得到更多的應(yīng)用，而目前對混凝土蝸殼防滲問題的研究還不充分，結(jié)合某河床式水電站工程實(shí)際，運(yùn)用三維非線性有限元方法對混凝土蝸殼的多種防滲方案進(jìn)行了研究。研究表明：高強(qiáng)混凝土、鋼纖維混凝土和環(huán)氧砂漿方案能解決混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)的限裂問題，但實(shí)踐中有較大的局限性，而在蝸殼混凝土內(nèi)表面設(shè)鋼襯以及預(yù)應(yīng)力加固方案的防滲效果較好，建議在實(shí)際工程中優(yōu)先采用。

混凝土蝸殼；非線性有限元；限裂；防滲措施；混凝土損傷

1 研究背景

蝸殼結(jié)構(gòu)是水輪機(jī)的重要過流部件，也是水電站廠房中的重要建筑物，它的任務(wù)是向水輪機(jī)提供平穩(wěn)水流和承受水輪發(fā)電機(jī)組的靜動荷載。蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響機(jī)組的穩(wěn)定安全運(yùn)行，是水電站建設(shè)中重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題[1]。在河床式水電站中，多采用梯形斷面的混凝土蝸殼，進(jìn)口段跨度大，側(cè)墻高，受力條件復(fù)雜，內(nèi)水壓力作用下的應(yīng)力水平較高，容易引起混凝土開裂。另外，施工期混凝土的離析、塑性變形、碳化收縮、干縮、水化熱溫升及運(yùn)行期水溫的變化也容易導(dǎo)致蝸殼部位混凝土開裂。由于蝸殼是水輪機(jī)的過流部件，因此，對混凝土蝸殼而言，除強(qiáng)度設(shè)計(jì)外，其防滲設(shè)計(jì)也是一個需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范的要求，混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行限裂驗(yàn)算。對于水頭不同的電站，因蝸殼結(jié)構(gòu)尺寸和承受內(nèi)水壓力的不同，有的通過計(jì)算配置限裂鋼筋即可滿足限裂要求[2]。當(dāng)配置限裂鋼筋不能滿足限裂要求時，蝸殼內(nèi)壁應(yīng)增設(shè)防滲層，工程上一般的做法是內(nèi)設(shè)鋼襯防滲。內(nèi)設(shè)鋼襯防滲效果好，工程上運(yùn)用的案例很多，技術(shù)成熟。此外，工程上還采取提高混凝土強(qiáng)度等級、在混凝土蝸殼一定范圍內(nèi)使用抗(限)裂纖維材料或采用預(yù)應(yīng)力混凝土蝸殼的方法。提高混凝土強(qiáng)度等級會帶來水化熱增大，引起溫度裂縫的問題?？?限)裂纖維作為一種較為實(shí)用且規(guī)范性的材料，其性能指標(biāo)是優(yōu)越的，應(yīng)用及推廣均有章可循，但因?yàn)槠湓诨炷羻挝惑w積中的造價較高，難以適應(yīng)較大體積的混凝土澆筑[2]。

預(yù)應(yīng)力混凝土蝸殼通過預(yù)先對蝸殼結(jié)構(gòu)上相對薄弱的部位施加應(yīng)力，可減小控制截面的彎矩值，將軸向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為軸向壓應(yīng)力或減小軸向拉應(yīng)力量值，從而限制裂縫寬度，以滿足防滲要求。具有承載力高、抗裂性好、變形小、防滲性好等特點(diǎn)[3]。我國高壩洲水電站混凝土蝸殼采用預(yù)應(yīng)力方案進(jìn)行加固，蝸殼運(yùn)行1 a后，經(jīng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，整個蝸殼基本呈受壓狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)有裂縫，說明其運(yùn)行狀態(tài)是良好的[4]。但是，預(yù)應(yīng)力混凝土蝸殼也有它的不足之處，如預(yù)應(yīng)力技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中可實(shí)施性和可靠性較差、工程經(jīng)驗(yàn)不足、預(yù)應(yīng)力筋的布置影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

目前對混凝土蝸殼防滲問題的研究還不充分，以上工程措施雖然在實(shí)際工程中均有運(yùn)用，但其對裂縫開展的控制和受力特性的影響尚不明確，各措施均有其自身的優(yōu)越性和局限性，目前工程界對混凝土蝸殼的防滲問題還沒有形成完全統(tǒng)一的認(rèn)識。本文將結(jié)合某水電站工程實(shí)際，研究普通強(qiáng)度混凝土加防滲鋼襯、高強(qiáng)混凝土、鋼纖維混凝土、環(huán)氧砂漿材料、預(yù)應(yīng)力混凝土等措施對混凝土蝸殼開裂特性和裂縫寬度的影響，綜合考慮施工工藝、成本、耐久性和可靠性等因素，提出一兩種更為合理有效的防滲措施，供工程實(shí)際參考。

2 計(jì)算條件

某河床式水電站采用混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)，平面包角210°，具有不對稱梯形斷面。進(jìn)口斷面處邊墻厚4.0 m，最大凈高15.0 m；頂板最小厚度5.0 m，上承水輪機(jī)機(jī)墩，并為水輪機(jī)層樓面；流道范圍最大平面凈寬為28.0 m；正常運(yùn)行工況下，蝸殼設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為0.6 MPa。由于水頭高，規(guī)模大，加上蝸殼具有高側(cè)墻、大進(jìn)口斷面、不對稱梯形輪廓，受力條件不利，在混凝土蝸殼中具有一定的代表性。

圖1 蝸殼斷面和計(jì)算模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the section and calculation model of spiral case

本文建立了三維整體模型，采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型如圖1所示，各材料的力學(xué)參數(shù)見表1。普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼絞線、C25和C40混凝土的材料力學(xué)參數(shù)按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5057—2009)采用，CF40鋼纖維混凝土的材料力學(xué)參數(shù)按中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會制定的《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定計(jì)算所得，環(huán)氧砂漿的材料力學(xué)參數(shù)根據(jù)《環(huán)氧砂漿技術(shù)規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定及參考新安江電站[5]中使用的環(huán)氧砂漿材料性能指標(biāo)來綜合取值。預(yù)應(yīng)力混凝土蝸殼中預(yù)應(yīng)力筋選用1 860 MPa級的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，單束預(yù)應(yīng)力筋由12根7?5鋼絞線集束制備，設(shè)計(jì)控制張拉力為2 000 kN。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

Table 1 Mechanical parameters of materials

材料彈性模量/MPa泊松比重度/(kN·m-3)抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa普通鋼筋2．06×1050．30078．5310．0310預(yù)應(yīng)力鋼絞線1．95×1050．30078．51380．01380C25混凝土2．80×1040．16725．011．91．27C40混凝土3．25×1040．16725．019．11．71CF40鋼纖維混凝土3．25×1040．16725．019．12．20環(huán)氧砂漿1．36×1040．20023．4≥10

非線性計(jì)算時采用ABAQUS軟件中的混凝土損傷塑性模型來模擬混凝土的開裂以及開裂后的軟化、損傷和塑性變形等力學(xué)特性[6]。該模型具有較好的收斂性，在蝸殼結(jié)構(gòu)的非線性問題分析中已經(jīng)有較好的運(yùn)用[7-8]，其定義的單軸拉伸應(yīng)力軟化曲線和拉伸損傷曲線如圖2(以C25混凝土為例)所示。若損傷值等于0，則表示混凝土的拉應(yīng)力小于抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)未損傷，處于線彈性的應(yīng)力-應(yīng)變階段；若損傷值等于1，則表示結(jié)構(gòu)完全損傷，已失去承載能力；若損傷值在0和1之間，則表示結(jié)構(gòu)仍有剩余強(qiáng)度，處于拉伸軟化階段。

圖2 C25混凝土應(yīng)力-開裂應(yīng)變與損傷-開裂應(yīng)變曲線Fig.2 Curves of tension stress and tension damage vs. cracking strain of concrete C25

3 計(jì)算方案

為綜合比較不同混凝土強(qiáng)度等級、抗(限)裂材料、防滲層設(shè)置與否對蝸殼部位混凝土開裂的影響，本文進(jìn)行了6個方案的計(jì)算對比，如表2所示。

表2 計(jì)算方案

Table 2 Different calculation schemes

方案蝸殼混凝土等級是否設(shè)置防滲層A普通C25否B普通C40否C鋼纖維CF40否D普通C25蝸殼內(nèi)表面15mm環(huán)氧砂漿E普通C25蝸殼內(nèi)表面15mm鋼襯F預(yù)應(yīng)力混凝土C25無

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 混凝土損傷

由損傷圖對比分析可知，各方案混凝土的損傷區(qū)分布大致相同，但是損傷程度各異，各計(jì)算方案蝸殼混凝土的損傷如圖3所示。在機(jī)組中心線上游，蝸殼斷面孔口尺寸最大，而頂板、底板和邊墻厚度卻相對最薄，這些部位損傷較嚴(yán)重。左側(cè)邊墻外表面中部位置，頂板、底板內(nèi)表面與邊墻相交處是蝸殼混凝土損傷最為嚴(yán)重的地方。

圖3 各方案蝸殼混凝土損傷Fig.3 Damages of the spiral case concrete in different schemes

各方案采用不同的防滲措施，相應(yīng)的混凝土損傷程度也不一樣。方案A蝸殼部位采用普通強(qiáng)度混凝土C25，內(nèi)表面沒有設(shè)置防滲層，在6個方案中混凝土損傷最嚴(yán)重；方案B相對方案A提高了混凝土的強(qiáng)度等級，蝸殼外圍混凝土的損傷范圍有所降低，但是蝸殼薄弱部位的混凝土損傷仍然較嚴(yán)重；方案C采用鋼纖維混凝土，混凝土的損傷范圍和程度均明顯降低，說明鋼纖維混凝土能有效改善混凝土的損傷情況。

方案D蝸殼內(nèi)表面設(shè)置環(huán)氧砂漿層，由計(jì)算可知環(huán)氧砂漿的最大主應(yīng)力為4.83 MPa，通常環(huán)氧砂漿的抗拉強(qiáng)度可達(dá)10 MPa以上，因此該環(huán)氧砂漿層不會開裂。但環(huán)氧砂漿層對蝸殼外圍混凝土損傷開裂的限制作用較小，混凝土的損傷范圍和程度與方案A基本相同。方案E采用防滲鋼襯后，蝸殼部位混凝土的損傷情況基本沒有改善，說明防滲鋼襯一般作為防滲層使用，對改善結(jié)構(gòu)受力和控制混凝土損傷的效果不明顯。但是在蝸殼內(nèi)表面設(shè)置防滲層后，蝸殼部位混凝土的裂縫寬度限值可以提高，從而達(dá)到防滲的目的。

方案F采用預(yù)應(yīng)力措施加固后，混凝土的損傷范圍和程度大大降低，最大損傷值由方案A的0.963降低至0.657，結(jié)構(gòu)上相對薄弱位置的損傷情況也都得到很大程度的改善。說明采用預(yù)應(yīng)力混凝土蝸殼能有效改善蝸殼部位混凝土的損傷，從而限制裂縫的開展，起到防滲的目的。

4.2 鋼筋應(yīng)力

為了解蝸殼關(guān)鍵部位的鋼筋應(yīng)力，選取蝸殼進(jìn)口1#斷面、0°斷面和90°斷面，將各個斷面特征點(diǎn)的環(huán)向鋼筋應(yīng)力列于表3，典型斷面位置如圖1(a)所示。此外，各方案下整個蝸殼流道周圍鋼筋的最大應(yīng)力值也列于表3。

表3 蝸殼典型斷面特征點(diǎn)環(huán)向鋼筋應(yīng)力及流道周圍鋼筋最大應(yīng)力

Table 3 Circumferential rebar stresses at feature points in typical sections and maximum stresses of rebar around flow passage of the spiral case MPa

鋼筋的應(yīng)力大小與混凝土的損傷情況有關(guān)，蝸殼0°斷面附近混凝土損傷最嚴(yán)重，相應(yīng)地該部位鋼筋應(yīng)力最大。蝸殼進(jìn)口1#斷面由于尺寸大，結(jié)構(gòu)相對薄弱，該區(qū)域的鋼筋應(yīng)力也較大。0°斷面以后，沿著水流向，斷面尺寸逐漸減小，混凝土損傷程度降低，鋼筋的應(yīng)力也逐漸減小，至90°斷面已經(jīng)是很小的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。

方案A沒有采取任何防滲措施，結(jié)構(gòu)受力相對不利，相應(yīng)的鋼筋應(yīng)力最大，為103.78 MPa；蝸殼部位采用高強(qiáng)混凝土后，鋼筋應(yīng)力水平有所降低，最大鋼筋應(yīng)力為93.98 MPa，降低程度并不大；當(dāng)采用鋼纖維混凝土?xí)r，鋼筋應(yīng)力水平進(jìn)一步下降，最大鋼筋應(yīng)力降低至82.83 MPa；方案D和方案E均在蝸殼內(nèi)表面設(shè)置防滲層，但由于環(huán)氧砂漿的彈性模量相比防滲鋼襯要小，其對外圍混凝土的受力改善效果略微明顯，最大鋼筋應(yīng)力降低至80.22 MPa。防滲鋼襯對改善外圍混凝土的受力效果相對不明顯，鋼襯基本起防滲作用；使用預(yù)應(yīng)力加固措施后，能在很大程度上降低蝸殼混凝土的拉應(yīng)力水平，相應(yīng)的鋼筋應(yīng)力水平也得以降低，最大鋼筋應(yīng)力值僅為47.37 MPa。

4.3 蝸殼混凝土裂縫寬度驗(yàn)算

運(yùn)用《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5057—2009)中給出的大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度驗(yàn)算的2種方法，對混凝土蝸殼的裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算，各方案的驗(yàn)算結(jié)果列于表4。對于每種驗(yàn)算方法，必須要有相應(yīng)的裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)，本文通過總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，并按照從嚴(yán)取值的原則，提出以下裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)的建議值：當(dāng)混凝土蝸殼內(nèi)壁沒有設(shè)置專門的防滲層時，表面受拉鋼筋的應(yīng)力限值取80 MPa，最大裂縫寬度取為0.15 mm；若混凝土蝸殼內(nèi)壁設(shè)有專門的防滲層，鋼筋應(yīng)力限值取100 MPa，最大裂縫寬度取為0.25 mm。

表4 各方案混凝土蝸殼裂縫寬度驗(yàn)算

Table 4 Crack width of concrete spiral case in each scheme

方案最大鋼筋應(yīng)力/MPa最大裂縫寬度/mm計(jì)算值限值計(jì)算值限值A(chǔ)103．78800．220．15B93．98800．120．15C82．83800．060．15D80．221000．130．25E90．581000．170．25F47．37800．040．15

由驗(yàn)算結(jié)果可知，方案D,E,F在2種驗(yàn)算方法下均滿足要求，即蝸殼部位采用普通強(qiáng)度混凝土C25并內(nèi)設(shè)環(huán)氧砂漿層、采用普通強(qiáng)度混凝土C25并內(nèi)設(shè)防滲鋼襯以及采用預(yù)應(yīng)力混凝土蝸殼的方案其裂縫寬度能滿足要求；采用鋼纖維混凝土?xí)r，混凝土蝸殼的裂縫寬度基本能滿足要求；蝸殼部位采用高強(qiáng)混凝土C40或者普通強(qiáng)度混凝土C25，且內(nèi)表面不設(shè)置任何防滲層時，其裂縫寬度基本難以滿足要求。

5 混凝土蝸殼防滲措施的綜合比較

上述研究表明，混凝土蝸殼不采取任何防滲措施時，一般不能滿足防滲要求；當(dāng)提高蝸殼部位混凝土強(qiáng)度等級到C40時，仍然難以滿足防滲要求。如果要起到較好的防滲效果，則必須使用更高標(biāo)號的混凝土。但是，隨著混凝土強(qiáng)度等級的不斷提高，成本會相應(yīng)增大且施工時混凝土碳化收縮、干縮、水化熱溫升更大，對溫控的要求更高，因此不建議將提高混凝土的強(qiáng)度等級作為一種有效的防滲措施使用。使用鋼纖維混凝土能有效解決混凝土蝸殼的防滲問題，但鑒于鋼纖維混凝土價格昂貴、成本高、施工工藝復(fù)雜，不適宜大范圍使用，建議在小范圍內(nèi)或混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)上相對薄弱的部位局部使用。

蝸殼部位采用普通強(qiáng)度混凝土C25且在內(nèi)表面設(shè)置環(huán)氧砂漿層時，環(huán)氧砂漿應(yīng)力能夠滿足要求，不會開裂，蝸殼外圍混凝土的裂縫寬度也滿足要求，但隨著電站運(yùn)行時間的增加，環(huán)氧砂漿不可避免地存在老化開裂問題，因此環(huán)氧砂漿作為混凝土蝸殼的防滲層材料存在可靠性問題，不建議將其作為混凝土蝸殼的一種有效防滲措施使用?？紤]到環(huán)氧砂漿材料存在老化開裂問題，本文方案E將環(huán)氧砂漿換成防滲鋼襯，由計(jì)算結(jié)果分析可知，該方案蝸殼混凝土裂縫寬度滿足要求，能有效解決混凝土蝸殼的防滲問題，可作為一種有效的防滲措施使用。方案F采用預(yù)應(yīng)力加固措施，由計(jì)算結(jié)果分析可知，預(yù)應(yīng)力混凝土蝸殼的損傷程度較輕、鋼筋應(yīng)力水平較低、最大裂縫寬度數(shù)值較小，滿足裂縫寬度要求?？梢?，采用預(yù)應(yīng)力對混凝土蝸殼進(jìn)行加固，不僅能改善結(jié)構(gòu)受力，而且能控制裂縫的開展，使之滿足防滲要求，是一種有效的防滲措施，具有一定的推廣價值。

6 結(jié) 論

采用ABAQUS軟件對某河床式水電站混凝土蝸殼的多種防滲方案進(jìn)行了三維非線性有限元計(jì)算，經(jīng)對比分析，得到以下研究結(jié)論：

(1) 混凝土蝸殼不采取任何防滲措施時一般不能滿足防滲要求，而采用高強(qiáng)混凝土對解決防滲問題效果不明顯；鋼纖維混凝土雖然有較好的效果，但考慮到成本問題建議在混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)上相對薄弱的部位局部使用；環(huán)氧砂漿材料除非能解決其老化開裂問題，否則不建議使用。

(2) 普通強(qiáng)度混凝土并內(nèi)設(shè)防滲鋼襯方案以及預(yù)應(yīng)力加固方案能有效解決混凝土蝸殼的防滲問題，且其防滲效果較好，具有較好的推廣價值?？紤]到預(yù)應(yīng)力加固方案的工程經(jīng)驗(yàn)不足，建議在常規(guī)水頭的電站中將防滲鋼襯方案作為混凝土蝸殼防滲的優(yōu)選方案，而在水頭較高的電站中可采用預(yù)應(yīng)力混凝土蝸殼的方案解決其防滲問題。

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(編輯：羅 娟)

Seepage Control Measures for Concrete Spiral Case ofHydropower Station in River Channel

ZHANG Zhi-chuan1，WU He-gao2，SHI Chang-zheng2

(1.Chengdu Engineering Corporation Limited, Power China, Chengdu 610072, China; 2.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Cracks are very likely to occur due to complex loads endured by concrete spiral case during the operation of hydropower station. Seepage control design is hence a big problem needs focus. Owing to insufficient research of seepage control at present and more applications of concrete spiral case in low and middle and even high head power stations in the future, some seepage control measures for concrete spiral case were analyzed by nonlinear finite element method with a hydropower station in river channel as the research background. The research results indicate that high strength concrete, steel fiber-reinforced concrete and epoxy mortar materials could solve the cracking problem for the concrete spiral case structure, but they have some limitations in practice. Steel liner coating on the inner wall of concrete spiral case and pre-stressed reinforcement have good effect in dealing with seepage problem and they are recommended to be preferentially used in practical projects.

concrete spiral case; nonlinear finite element method; cracking restriction; seepage control measures; concrete damage

2015-09-11；

2015-10-01

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179141)

張志川(1990-)，男，江西宜春人，助理工程師，碩士，主要從事工程造價咨詢方面的工作，(電話)13881964275(電子信箱)1344105126@qq.com。

伍鶴皋(1964-)，男，江西宜豐人，教授，博士，主要從事地下工程與壓力管道、水電站廠房結(jié)構(gòu)方面的研究，(電話)13808691481(電子信箱)wbf1988@vip.sina.com。

10.11988/ckyyb.20150772

2016,33(12):128-132

TV43

A

1001-5485(2016)12-0128-05