河床式水电站混凝土蜗壳防渗措施研究

'第33卷第12期长江科学院院报Vol.33No.122016年12月JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteDec.2016doi：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(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=1001-5485(2016)12-0128-05(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1研究背景缝的问题。抗（限)裂纤维作为一种较为实用且规范蜗壳结构是水轮机的重要过流部件，也是水电性的材料，其性能指标是优越的，应用及推广均有章站厂房中的重要建筑物，它的任务是向水轮机提供可循，但因为其在混凝土单位体积中的造价较高，难平稳水流和承受水轮发电机组的静动荷载。蜗壳结以适应较大体积的混凝土浇筑[2]。构设计直接影响机组的稳定安全运行，是水电站建预应力混凝土蜗壳通过预先对蜗壳结构上相对设中重要的技术经济问题[1]。在河床式水电站中，薄弱的部位施加应力，可减小控制截面的弯矩值，将多采用梯形断面的混凝土蜗壳，进口段跨度大，侧墙轴向拉应力转化为轴向压应力或减小轴向拉应力量高，受力条件复杂，内水压力作用下的应力水平较值，从而限制裂缝宽度，以满足防渗要求。具有承载高，容易引起混凝土开裂。另外，施工期混凝土的离力高、抗裂性好、变形小、防渗性好等特点[3]。我国高析、塑性变形、碳化收缩、干缩、水化热温升及运行期坝洲水电站混凝土蜗壳采用预应力方案进行加固，蜗水温的变化也容易导致蜗壳部位混凝土开裂。由于壳运行1a后，经监测发现，整个蜗壳基本呈受压状蜗壳是水轮机的过流部件，因此，对混凝土蜗壳而态，未发现有裂缝，说明其运行状态是良好的[4]。但言，除强度设计外，其防渗设计也是一个需要重点关是，预应力混凝土蜗壳也有它的不足之处，如预应力注的问题。技术在复杂结构中可实施性和可靠性较差、工程经验根据国内现行规范的要求，混凝土蜗壳结构应进不足、预应力筋的布置影响结构设计等。行限裂验算。对于水头不同的电站，因蜗壳结构尺寸目前对混凝土蜗壳防渗问题的研究还不充分，和承受内水压力的不同，有的通过计算配置限裂钢筋以上工程措施虽然在实际工程中均有运用，但其对即可满足限裂要求[2]。当配置限裂钢筋不能满足限裂缝开展的控制和受力特性的影响尚不明确，各措裂要求时，蜗壳内壁应增设防渗层，工程上一般的做施均有其自身的优越性和局限性，目前工程界对混法是内设钢衬防渗。内设钢衬防渗效果好，工程上运凝土蜗壳的防渗问题还没有形成完全统一的认识。用的案例很多，技术成熟。此外，工程上还采取提高本文将结合某水电站工程实际，研究普通强度混凝混凝土强度等级、在混凝土蜗壳一定范围内使用抗土加防渗钢衬、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@qq.com。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@vip.sina.com。 第12期张志川等河床式水电站混凝土蜗壳防渗措施研究129楽材料、预应力混凝土等措施对混凝土蜗壳开裂特表1材料力学参数Table1Mechanicalparametersofmaterials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弹性模泊松重度/抗压强抗拉强材料觉/MPa比(kN•m~3)jt/MPa度/MPa防渗措施，供工程实际参考。普通钢筋2.06X1050.30078.5310.0310预应力钢绞线1.95xl〇50.30078.51380.01380C25混凝土2.80X1040.16725.011.91.27C40混凝土3.25xl〇40.16725.019.11.712计算条件CF40钢纤维混凝土3.25xl〇40.16725.019.12.20环氧砂浆1.36X1040.20023.4彡10某河床式水电站采用混凝土蜗壳结构，平面包非线性计算时采用abaqus软件中的混凝土角210°，具有不对称梯形断面#进口断面处边墙厚损伤塑性模型来模拟混凝土的开裂以及开裂后的软4.0m，最大净高15.0m;顶板最小厚度5.0m，上承化、损伤和塑性变形等力学特性[€该模型具有较水轮机机墩，并为水轮机层楼面;流道范围最大平面好的收敛性，在蜗壳结构的非线性问题分析中已经净宽为28.0m;正常运行工况下，蜗壳设计内水压力有较好的运用[74]，其定义的单轴拉伸应力软化曲为0.6MPa。由于水头高，规模大，加上蜗壳具有高线和拉伸损伤曲线如图2(以C25混凝土为例）所侧墙、大进口断面、不对称梯形轮廓，受力条件不利，示。若损伤值等于〇,则表示混凝土的拉应力小于在混凝土蜗壳中具有一定的代表性。抗拉强度，结构未损伤，处于线弹性的应力-应变阶本文建立了三维整体模型，采用有限元软件段;若损伤值等于1，则表示结构完全损伤，已失去ABAQUS进行计算，计算模型如图1所示，各材料的承载能力;若损伤值在〇和1之间，则表示结构仍有力学参数见表1。普通钢筋、预应力钢绞线、C25和剩余强度，处于拉伸软化阶段。C40混凝土的材料力学参数按《水工混凝土结构设计规范》（DL/T5057—2009)采用，CF40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01234560123456开裂应变/10_4开裂应变/10-4氧砂浆技术规程》中相关规定及参考新安江电站[5](a)应力-开裂应变曲线（b)损伤-开裂应变曲线中使用的环氧砂浆材料性能指标来综合取值。预应图2C25混凝土应力-开裂应变与损伤-开裂应变曲线力混凝土蜗壳中预应力筋选用1860MPa级的预应Fig.2Curvesoftensionstressandtensiondamagevs.力钢绞线，单束预应力筋由12根705钢绞线集束crackingstrainofconcreteC25制备，设计控制张拉力为2000kN。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2计算方案Table2Differentcalculationschemes方案蜗壳混凝土等级____________是否设置防渗层A普通C25否B普通C40否C钢纤维CF40否D普通C25蜗壳内表面15mil1环氧砂浆E普通C25蜗壳内表面151mm钢衬F预应力混凝土C25无(C)蜗壳周围钢筋网格4计算结果分析图1蜗壳断面和计算模型示意图Fig.1Schematicdiagramofthesectionandcalculation4.1混凝土损伤modelofspiralcase由损伤图对比分析可知，各方案混凝土的损伤 130长江科学睫院报2016#区分布大致相同，但是损伤程度各异，各计算方案蜗降低至0.657,结构上相对薄弱位置的损伤情况也都壳混凝土的损伤如图3所示。在机组中心线上游，得到很大程度的改善。说明采用预应力混凝土蜗壳蜗壳断面孔口尺寸最大，而顶板、底板和边墙厚度却能有效改善蜗壳部位混凝土的损伤，从而限制裂缝相对最薄，这些部位损伤较严重《左侧边墙外表面的开展，起到防渗的目的。中部位置，顶板、底板内表面与边墙相交处是蜗壳混4.2钢筋应力凝土损伤最为严重的地方。为了解蜗壳关键部位的钢筋应力，选取蜗壳进各方案采用不同的防渗措施，相应的混凝土损伤口1#断面、0°断面和90°断面，将各个断面特征点的程度也不一样a方案A蜗壳部位采用普通强度混凝环向钢筋应力列于表3,典型断面位置如图1(a)所土C25，内表面没有设置防渗层，在6个方案中混凝示。此外，各方案下整个蜗壳流道周围钢筋的最大土损伤最严重;方案B相对方案A提高了混凝土的应力值也列于表3。强度等级，蜗壳外围混凝土的损伤范围有所降低，但表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是蜗壳薄弱部位的混凝土损伤仍然较严重;方案C采Table3Circumferentialrebarstressesatfeaturepoints用钢纤维混凝土，混凝土的损伤范围和程度均明显降intypicalsectionsandmaximumstressesofrebar低，说明钢纤维混凝土能有效改善混凝土的损伤情aroundflowpassageofthespiralcaseMPa况。方i#断面〇°断面90。断面._最大钢方案D蜗壳内表面设置环氧砂浆层，由计算可案底板顶板.左違墙底板顶板左边墙底板顶板筋座力知环氧砂浆的最大主应力为4.83MPa，通常环氧砂A38.6349.6917.5999.3543.7459.585.392.38103.78B41.2047.3117.3188.0326.3963.804.851.8693.98浆的抗拉强度可达1〇MPa以上，因此该环氧砂浆C39.4240.5515.9676.4018.4157.415.101.9082.83D35.6643.0516.7976.2331.4942.795.473.4380.22层不会开裂。但环氧砂浆层，对蜗壳外围混凝土损伤E35.3445.4215.4286.5438.8048.874.931.6490.58开裂的限制作用较小，混凝土的损伤范围和程度与F23.0329.4710.6841.6114.3823.012.23-1.3447.37方案A基本相同。方案E采用防渗钢衬后，蜗壳部钢筋的应力大小与混凝土的损伤情况有关，蜗位混凝土的损伤情况基本没有改善，说明防渗钢衬壳〇°断面附近混凝土损伤最严童，相应地该部位钢一般作为防渗层使用，对改善结构受力和控制混凝筋应力最大。蜗壳进口1#断面由于尺寸大，结构相土损伤的效果不明显。但是在蜗壳内表面设置防渗对薄弱，该区域的钢筋应力也较大。0°断面以后，沿层后，蜗壳部位混凝土的裂缝宽度限值可以提高，从着水流向，断面尺寸逐渐减小，混凝土损伤程度降而达到防渗的目的。低，钢筋的应力也逐渐减小，，至90°断面已经是很小方案F采用预应力措施加固后，混凝土的损伤的拉应力或压应力。范围和程度大大降低，最大损伤值由方案A的0.963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损伤值^^H-0.9630.9570.913■-0.8840.8780.838■-0.8050.7990.763■-0.7250.7200.687H-0.6460.6410.612■-0.5660.5620.537H-0.4870.4830.462■-0.4070.4050.386H-0.3280.3260.311麵-0_2480.2470.236~~1-0.1690.1680.1610.0890.0890.0850.0100.0100.0100.0000.0000.000(a)方案A(b)方案B损伤值损伤值损伤值0.9600.9420.657■-0.8810.8640.6030.8020.7870.549■-0.7230.7090.4950.6430.6310.441H-0.5640.5540.3870.4850.4760.333H-0.4060.3980.280■-0.3270.3210.226~L0.2480.2430.172-0.1680.1650.118-0.0890.0880.064-0.0100.0100.010-0.0000.0000.000(d)方案D(f)方案F图3各方案蜗壳混凝土损伤Fig.3Damagesofthespiralcaseconcreteindifferentschemes 第12期张志川等河床式水电站混凝土蜗壳防滲措施研究131不利，相应的钢筋应力最大，为103.78MPa;蜗壳部位施时，一般不能满足防渗要求;当提高蜗壳部位混凝采用高强混凝土后，钢筋应力水平有所降低，最大钢土强度等级到C40时，仍然难以满足防渗要求。如筋应力为93.98MPa，降低程度并不大;当采用钢纤维果要起到较好的防渗效果，则必须使用更高标号的混凝土时，钢筋应力水平进一步下降，最大钢筋应力混凝土。但是，随着混凝土强度等级的不断提高，成降低至82.83MPa;方案D和方案E均在蜗壳内表面本会相应增大且施工时混凝土碳化收缩、干缩、水化设置防渗层，但由于环氧砂浆的弹性模量相比防渗钢热温升更大，对温控的要求更高，因此不建议将提高衬要小，其对外围混凝土的受力改善效果略微明显，混凝土的强度等级作为一种有效的防渗措施使用。最大钢筋应力降低至80.22MPa。防渗钢衬对改善外使用钢纤维混凝土能有效解决混凝土蜗壳的防渗问围混凝土的受力效果相对不明显，钢衬基本起防渗作题，但鉴于钢纤维混凝土价格昂贵、成本高、施工工用;使用预应力加固措施后，能在很大程度上降低蜗艺复杂，不适宜大范围使用，建议在小范围内或混凝壳混凝土的拉应力水平，相应的钢筋应力水平也得以土蜗壳结构上相对薄弱的部位局部使用。降低，最大钢筋应力值仅为47.37MPa。蜗壳部位采用普通强度混凝土C25且在内表4.3蜗壳混凝土裂缝宽度验算面设置环氧砂浆层时，环氧砂浆应力能够满足要求，运用《水工混凝土结构设计规范》（DI7T5057—不会开裂，蜗壳外围混凝土的裂缝宽度也满足要求，2009)中给出的大体积钢筋混凝土结构裂缝宽度验算但随着电站运行时间的增加，环氧砂浆不可避免地的2种方法，对混凝土蜗壳的裂缝宽度进行验算，各存在老化开裂问题，因此环氧砂浆作为混凝土蜗壳方案的验算结果列于表4。对于每种验算方法，必须的防渗层材料存在可靠性问题，不建议将其作为混要有相应的裂缝控制标准，本文通过总结国内外相关凝土蜗壳的一种有效防渗措施使用。考虑到环氧砂浆材料存在老化开裂问题，本文方案E将环氧砂浆规范，并按照从严取值的原则，提出以下裂缝控制标准的建议值:当混凝土蜗壳内壁没有设置专门的防渗换成防渗钢衬，由计算结果分析可知，该方案蜗壳混层时，表面受拉钢筋的应力限值取80MPa，最大裂缝凝土裂缝宽度满足要求，能有效解决混凝土蜗壳的宽度取为〇.15mm;若混凝土蜗壳内壁设有专门的防防渗问题，可作为一种有效的防渗措施使用。方案渗层，钢筋应力限值取1〇〇MPa，最大裂缝宽度取为F采用预应力加固措施，由计算结果分析可知，预应0.25mm〇力混凝土蜗壳的损伤程度较轻、钢筋应力水平较低、表4各方案混凝土蜗壳裂缝宽度验算最大裂缝宽度数值较小，满足裂缝宽度要求。可见，Table4Crackwidthofconcretespiralcase采用预应力对混凝土蜗壳进行加固，不仅能改善结ineachscheme构受力，而且能控制裂缝的开展，使之满足防渗要最大钢筋应力/MPa最大裂缝宽度/mm求，是一种有效的防渗措施，具有一定的推广价值。方案计算值限值计算值限值A103.78800.220.15B93.98800.120.156结论C82.83800.060.15D80.221000.130.25采用ABAQUS软件对某河床式水电站混凝土E90.581000.170.25F47.37800.040.15蜗壳的多种防渗方案进行了三维非线性有限元计由验算结果可知，方案D，E，F在2种验算方法算，经对比分析，得到以下研究结论：下均满足要求，即蜗壳部位采用普通强度混凝土C25(1)混凝土蜗壳不采取任何防渗措施时一般不并内设环氧砂浆层、采用普通强度混凝土C25并内设能满足防渗要求，而采用高强混凝土对解决防渗问题效果不明显;钢纤维混凝土虽然有较好的效果，但防渗钢衬以及采用预应力混凝土蜗壳的方案其裂缝考虑到成本问题建议在混凝土蜗壳结构上相对薄弱宽度能满足要求;采用钢纤维混凝土时，混凝土蜗壳的部位局部使用;环氧砂浆材料除非能解决其老化的裂缝宽度基本能满足要求;蜗壳部位采用高强混凝开裂问题，否则不建议使用。土C40或者普通强度混凝土C25,且内表面不设置任(2)普通强度混凝土并内设防渗钢衬方案以及何防渗层时，其裂缝宽度基本难以满足要求。预应力加固方案能有效解决混凝土蜗壳的防渗问题，且其防渗效果较好，具有较好的推广价值。考虑5混凝土蜗壳防渗措施的综合比较到预应力加固方案的工程经验不足，建议在常规水上述研究表明，混凝土蜗壳不采取任何防渗措头的电站中将防渗钢衬方案作为混凝土蜗壳防渗的 132长江科学院院报2016年优选方案，而在水头较高的电站中可采用预应力混[5]张运雄，周华文，孙志恒，等.新安江大坝溢流面弹性环氧砂浆现场试验[J].大坝与安全，2006,(2):31凝土蜗壳的方案解决其防渗问题。34.[6]LEEJ,FENVESGL.Plastic-damageModelforCyclic参考文献：LoadingofConcreteStructures[J].JournalofEngineeringMechanics,1998,124(8)：892-900.[1]伍鹤皋,马善定，秦继章.大型水电站蜗壳结构设计理论与工程实践[M].北京：科学出版社，2009.[7]伍鹤皋，田海平，李永祖.水电站混凝土蜗壳三维有[2]王琛,栾远新，马军.聚丙烯纤维材料在尼尔基水限元分析[J].武汉大学学报（工学版），2007,电站混凝土蜗壳中的应用[J].东北水利水电，2005,40(5)-.53-51.23(7)：1-3,10.[8]向功兴，杨亚军，伍鹤皋，等.河床式厂房止水布置和[3]佚名.高坝洲水电站水轮机预应力钢筋混凝土蜗壳混凝土蜗壳座环柔度[J].武汉大学学报（工学版），结构研究与运用[J].科技进步与对策，2001，2010,43(1)：46-50.18(10)：176.[4]徐麟祥，陈麟灿.高坝洲水电站设计概述[J].水力发(编辑:罗娟)电，2002,(3):19-20,31.SeepageControlMeasuresforConcreteSpiralCaseofHydropowerStationinRiverChannelZHANGZhi-chuan1,WUHe-ga〇2,SHIChang-zheng2(1.ChengduEngineeringCorporationLimited,PowerChina,Chengdu610072,China;2.StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)Abstract：Cracksareverylikelytooccurduetocomplexloadsenduredbyconcretespiralcaseduringtheoperationofhydropowerstation.Seepagecontroldesignishenceabigproblemneedsfocus.Owingtoinsufficientresearchofseepagecontrolatpresentandmoreapplicationsofconcretespiralcaseinlowandmiddleandevenhighheadpowerstationsinthefuture,someseepagecontrolmeasuresforconcretespiralcasewereanalyzedbynonlinearfiniteelementmethodwithahydropowerstationinriverchannelastheresearchbackground.Theresearchresultsindicatethathighstrengthconcrete,steelfiber-reinforcedconcreteandepoxymortarmaterialscouldsolvethecrackingproblemfortheconcretespiralcasestructure,buttheyhavesomelimitationsinpractice.Steellinercoatingontheinnerwallofconcretespiralcaseandpre-stressedreinforcementhavegoodeffectindealingwithseepageproblemandtheyarerecommendedtobepreferentiallyusedinpracticalprojects.Keywords：concretespiralcase;nonlinearfiniteelementmethod;crackingrestriction；seepagecontrolmeasures;concretedamage(上接第127页）ofsimilarprojectsincoldregions.Inthisarticle,wemixedundisturbedsoilfromaslopeinXinjiangwithordinarycementtopreparethecementedsoilfortest,andconductedcyclicfreezingandthawingtestsof0,3，9and15timeswiththefreezingtemperatureat-20°Candthawingtemperatureat20°C.Uniaxialcompressivestrengthtestsandqualityanalysiswereperformedafterdifferentcycles.Onthisbasis,themicroscopicstructuralchangesofcementedsoilwereanalyzedbyusingscanningelectronmicroscopy(SEM)toinvestigatethedegradationanddeteriorationmechanismofcementedsoilundercyclesoffreezingandthawing.Resultsshowedthatthecompressivestrengthandresidualqualityofcementedsoilsamplesdecreasedwiththeincreaseoffreezing-thawingcycletimes,andtheregularityofchangesbetweenfreezing-thawingcycletimesandcompressivestrengthcanbeexpressedwiththefittingrelation：=-0.1171+3.29.Keywords：cementedsoil;cycleoffreezingandthawing；damageanddeterioration；mechanicalbehaviors;microscopiccharacteristics'