糯扎渡水電站大型蝸殼結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)

王溢波，張宏戰(zhàn)，馬震岳，劉興寧，洪振偉

(1.大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，遼寧 大連116024;2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明650051)

近年來(lái)，隨著大型常規(guī)電站和抽水蓄能電站的興建，水輪機(jī)單機(jī)容量越來(lái)越大，最大已達(dá)到了700 MW，作為水輪發(fā)電機(jī)組重要組成部分之一的蝸殼結(jié)構(gòu)，隨著HD值急劇增加(H指蝸殼承受的水頭，D指蝸殼進(jìn)口斷面的直徑)，體型也日趨巨型化，大型水電站蝸殼結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力特性研究也受到了越來(lái)越多的關(guān)注。高水頭大型蝸殼必然采用金屬蝸殼，鋼蝸殼的埋設(shè)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(dān)比例，一般有敷設(shè)墊層_、保壓澆筑和直接埋設(shè)三種形式。對(duì)于大型蝸殼，我國(guó)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(lái)也開(kāi)始在巨型機(jī)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(jié)合大型工程開(kāi)展了大量的蝸殼結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)[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(shè)計(jì)等方面取得了豐富成果，推動(dòng)了理論創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)展，支撐了大型工程建設(shè)。

糯扎渡水電站蝸殼進(jìn)口直徑7.0 m，尺寸巨大，蝸殼內(nèi)正常運(yùn)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(duì)該電站保壓蝸殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真材料結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，研究設(shè)計(jì)荷載和超載情況下鋼蝸殼及外圍混凝土的應(yīng)力和變形，同時(shí)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的超載安全度，對(duì)節(jié)省工程投資和提高技術(shù)水平，具有十分重要的意義。本文結(jié)合糯扎渡工程的保壓澆筑蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，介紹了模型試驗(yàn)研究成果，為工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)，也為其他大型工程的蝸殼埋設(shè)方式選擇和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型制作

模型取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組段做為模型試驗(yàn)的研究對(duì)象，上下游方向取至巖石邊界(廠橫0+0.00—廠橫0+29.00)，共計(jì)29 m;左側(cè)以機(jī)組段永久縫為界，右側(cè)取至蝸殼外包混凝土右邊界，共計(jì)28 m;在高度方向，上取至下機(jī)架基礎(chǔ)高程596.05 m，下取至高程578.5 m，共計(jì)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(shí)，進(jìn)口保壓悶頭設(shè)在廠房?jī)?nèi)部。自蝸殼上游端面向下游側(cè)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(chǎng)焊接該段鋼蝸殼，并在鋼蝸殼上半圓范圍內(nèi)敷設(shè)彈性墊層。由于鋼蝸殼模型的加工制作問(wèn)題，仿真試驗(yàn)中沒(méi)有模擬進(jìn)口3.5 m范圍內(nèi)的彈性墊層的作用，整個(gè)蝸殼模型均采用充水保壓蝸殼進(jìn)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(qiáng)度為484 MPa，極限強(qiáng)度為602 MPa，遵照配筋率相等的原則對(duì)模型進(jìn)行配筋，見(jiàn)圖1。模型中采用與原型相同強(qiáng)度等級(jí)的C25商品混凝土，與模型試驗(yàn)同期實(shí)測(cè)混凝土彈性模量為 25.9 GPa，劈拉強(qiáng)度為 2.81 MPa，立方體抗壓強(qiáng)度33.2 MPa?；炷翝仓宛B(yǎng)護(hù)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(hù)拆模后的蝸殼模型見(jiàn)圖2。

1.2 測(cè)試斷面和測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試內(nèi)容主要包括鋼蝸殼、鋼筋和混凝土應(yīng)變和應(yīng)力;機(jī)墩下機(jī)架基礎(chǔ)、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(cè)量;裂縫寬度的測(cè)量。量測(cè)斷面布置見(jiàn)圖3。在鋼蝸殼外表面布置51個(gè)測(cè)點(diǎn)，102個(gè)應(yīng)變計(jì)。主要受力鋼筋上布置應(yīng)變計(jì)，共112個(gè)。典型斷面上沿若干角度的徑向布置應(yīng)變計(jì)，圖4表示的是進(jìn)口斷面的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置。

圖1 模型整體實(shí)際配筋圖

圖2 完成養(yǎng)護(hù)的蝸殼模型

圖3 量測(cè)斷面分布圖

圖4 模型上游斷面混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

在澆筑混凝土后的聯(lián)合承載試驗(yàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)下機(jī)架基礎(chǔ)、上環(huán)板高程，在 1#、3#、5#和 7#斷面鉛直向各布置1個(gè)位移傳感器。在這四個(gè)斷面外側(cè)腰線位置各布置1個(gè)水平徑向位移傳感器，位移傳感器共計(jì)12個(gè)，見(jiàn)圖5。

圖5 位移計(jì)測(cè)點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)荷載和試驗(yàn)方案

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

(1)進(jìn)行內(nèi)水壓力不超過(guò)1.80 MPa作用下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力和位移量測(cè)，并研究保壓水頭下蝸殼與混凝土的貼合情況，重復(fù)3次。

(2)減小荷載級(jí)差繼續(xù)加載，觀測(cè)混凝土的開(kāi)裂情況。直到內(nèi)水壓力加至2.80 MPa，測(cè)量計(jì)算鋼蝸殼、鋼筋和混凝土的應(yīng)變、應(yīng)力和位移，復(fù)核設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。重復(fù)加載12次。

(3)繼續(xù)分級(jí)加載進(jìn)行超載試驗(yàn)，研究結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)、承載能力及超載安全度，觀察裂縫開(kāi)展情況和寬度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鋼襯應(yīng)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(yīng)力、最大應(yīng)力以及環(huán)向平均應(yīng)力與明鋼蝸殼對(duì)應(yīng)值之比。聯(lián)合承載試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)內(nèi)水壓力達(dá)到設(shè)計(jì)保壓值1.80 MPa時(shí)，鋼蝸殼的最大環(huán)向應(yīng)力值為179.1 MPa，位置與明鋼蝸殼對(duì)應(yīng)位置相同，位于1#斷面上碟邊測(cè)點(diǎn)處。與明鋼蝸殼在1.80 MPa水壓下的試驗(yàn)結(jié)果相比，環(huán)向應(yīng)力最大值和高應(yīng)力測(cè)點(diǎn)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(yīng)力值與明鋼蝸殼應(yīng)力的比值介于75.3% ～110.9%之間，說(shuō)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(dān)。

當(dāng)內(nèi)水壓力達(dá)到2.80 MPa時(shí)，鋼蝸殼的最大環(huán)向應(yīng)力值為217.9 MPa，位置與明鋼蝸殼環(huán)向應(yīng)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(yīng)力介于82.7 MPa～135.2 MPa之間。鋼蝸殼的水流向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)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(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均小于鋼材的允許應(yīng)力，可以滿足強(qiáng)度要求。

表1 混凝土澆筑前后鋼蝸殼各斷面環(huán)向平均應(yīng)力

3.2 鋼筋應(yīng)力

當(dāng)內(nèi)水壓力達(dá)到設(shè)計(jì)保壓值1.80 MPa時(shí)，環(huán)向鋼筋應(yīng)力值很小，且表現(xiàn)為有正有負(fù)，拉應(yīng)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(cè)點(diǎn)處;水流向鋼筋應(yīng)力均為正值，但拉應(yīng)力最大值僅 4.80 MPa。1#、3#和 8#斷面機(jī)墩與水輪機(jī)層地面交界處沿豎向鋼筋和縱向鋼筋應(yīng)力介于0.60 MPa～4.40 MPa之間。當(dāng)內(nèi)水壓力達(dá)到2.80 MPa時(shí)，內(nèi)側(cè)環(huán)向鋼筋應(yīng)力最大值為21.4 MPa，發(fā)生在8#斷面腰線以上60°測(cè)點(diǎn)處。外層環(huán)向鋼筋應(yīng)力最大值為31.40 MPa，發(fā)生在1#斷面腰線以上60°測(cè)點(diǎn)處。水流向鋼筋應(yīng)力最大值僅9.40 MPa，位于3#斷面頂部測(cè)點(diǎn)。機(jī)墩豎向鋼筋應(yīng)力最大值為20.60 MPa，位于1#斷面機(jī)墩底部。水輪機(jī)層地面與機(jī)墩交界處廠房縱向鋼筋應(yīng)力最大值為53.40 MPa，位于8#斷面處。

3.3 結(jié)構(gòu)位移分析

圖6給出了機(jī)墩下機(jī)架基礎(chǔ)高程典型測(cè)點(diǎn)豎向位移隨內(nèi)水壓力的變化關(guān)系，由圖6可看出，各測(cè)點(diǎn)的位移隨著內(nèi)水壓力的增大緩慢增加，而當(dāng)內(nèi)水壓力達(dá)到1.80 MPa后，各測(cè)點(diǎn)位移迅速增大。由此說(shuō)明，在內(nèi)水壓力低于1.80 MPa時(shí)，鋼蝸殼僅局部位置與混凝土貼合，外圍混凝土承擔(dān)的內(nèi)水壓力很小，位移值也很小。當(dāng)內(nèi)水壓力達(dá)到1.80 MPa后，鋼蝸殼與外圍混凝土整體貼合，開(kāi)始聯(lián)合受力，混凝土結(jié)構(gòu)的位移也隨即迅速增大。

圖6 機(jī)墩下機(jī)架基礎(chǔ)高程豎向位移－內(nèi)水壓力

3.4 開(kāi)裂和裂縫分布

在正常運(yùn)行內(nèi)水壓力2.22 MPa下，鋼筋應(yīng)力最大不超過(guò)15 MPa。外圍為混凝土局部最大應(yīng)變150 με，一般在15 με以下，未發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)裂縫。荷載加至2.3 MPa時(shí)，在上游端面左側(cè)蝸殼與機(jī)墩交角出現(xiàn)第一條裂縫，裂縫從交角位置指向鋼蝸殼進(jìn)口斷面圓心方向;荷載加至2.40 MPa時(shí)，裂縫L1擴(kuò)展，同時(shí)在8#斷面和1#斷面之間，沿蝸殼和機(jī)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(shí)，在上游端面和8#斷面之間，沿蝸殼和機(jī)墩的交界線發(fā)現(xiàn)裂縫L3;當(dāng)內(nèi)水壓力加至2.80 MPa時(shí)，裂縫L3和L2連通形成新的裂縫L2，并向上下游側(cè)方向發(fā)展，向上游側(cè)延至上游端面并與L1連通，混凝土應(yīng)變值由內(nèi)向外逐漸增大，應(yīng)變值分別為152 με和456με，顯示裂縫接近貫通。裂縫開(kāi)展范圍見(jiàn)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(jié)構(gòu)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(kāi)裂后蝸殼重復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果分析

為考察裂縫擴(kuò)展和寬度變化情況，在0～2.80 MPa壓力范圍內(nèi)重復(fù)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(fù)加載12次后，殘余裂縫寬度并未增大。經(jīng)12次重復(fù)加載，裂縫L1貫穿至鋼蝸殼，寬度沒(méi)有明顯變化;裂縫L2的擴(kuò)展范圍也沒(méi)有明顯變化。

第12次重復(fù)加載后，在蝸殼進(jìn)口左側(cè)立面頂部發(fā)現(xiàn)一系列垂直水流方向的細(xì)微裂縫，裂縫延伸長(zhǎng)度不超過(guò)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(yàn)時(shí)，在蝸殼上游側(cè)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(shí)際工程中并沒(méi)有悶頭，水流向拉力也不存在的，因而不會(huì)產(chǎn)生此種裂縫。除此之外，重復(fù)加載試驗(yàn)中，模型結(jié)構(gòu)上沒(méi)有出現(xiàn)其他新的裂縫。

3.6 超載試驗(yàn)結(jié)果與分析

荷載最終加至設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力的1.5倍，即4.2 MPa，進(jìn)一步分析模型的破壞形態(tài)和超載能力。內(nèi)水壓力超過(guò)2.80 MPa后，鋼蝸殼各測(cè)試斷面的環(huán)向應(yīng)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(guò)3.0 MPa后，內(nèi)水壓力－應(yīng)力曲線斜率變小，鋼蝸殼環(huán)向應(yīng)力的增速變大，這是由于蝸殼混凝土開(kāi)裂導(dǎo)致整體剛度降低、鋼蝸殼的承載比例增大所

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

致。當(dāng)內(nèi)水壓力達(dá)到4.20 MPa時(shí)，各測(cè)試斷面的平均環(huán)向應(yīng)力介于100.97 MPa～180.46 MPa之間，應(yīng)力最大值為311.01 MPa。因此，在1.5倍的設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力下，鋼蝸殼各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值仍小于鋼材的允許應(yīng)力，超載安全裕度較大。當(dāng)內(nèi)水壓力超過(guò)2.80 MPa后，各斷面的環(huán)向鋼筋應(yīng)力繼續(xù)增大，超過(guò)3.0 MPa后，各斷面上下碟邊、腰線與頂部之間的各測(cè)點(diǎn)的環(huán)向拉應(yīng)力迅速增大，說(shuō)明裂縫擴(kuò)展，鋼筋混凝土承載比例增大。當(dāng)內(nèi)水壓力達(dá)到 4.20 MPa 時(shí)，2#、3#、8#斷面腰線以上60°處(位于機(jī)墩拐角與對(duì)應(yīng)蝸殼圓心的連線上)位置附近的環(huán)向鋼筋應(yīng)力分別達(dá)到126.4 MPa、137.6MPa、213 MPa?？傊鳒y(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力均未超過(guò)鋼筋的屈服強(qiáng)度。

圖8給出了在4.20 MPa下，1#和8#測(cè)試斷面鋼蝸殼和鋼筋的環(huán)向應(yīng)力分布圖。位于1#～3#、8#斷面機(jī)墩與蝸殼頂面交界線上鋼筋應(yīng)力較大，多個(gè)測(cè)點(diǎn)的鋼筋應(yīng)力超過(guò)200 MPa，接近或超過(guò)100 MPa的測(cè)點(diǎn)也很多。鋼筋應(yīng)力的分布規(guī)律與裂縫L2的位置一致，說(shuō)明蝸殼頂面混凝土較薄，特別是與機(jī)墩的交角處，結(jié)構(gòu)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(yīng)力也都接近或超過(guò)了50 MPa，說(shuō)明內(nèi)部混凝土已經(jīng)開(kāi)裂。

圖8 典型斷面上鋼蝸殼和鋼筋環(huán)向應(yīng)力分布(4.20 MPa)

超載情況下的裂縫分布見(jiàn)圖9。內(nèi)水壓力超過(guò)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(shí)，裂縫寬度分別達(dá)到 0.20 mm和0.26 mm。裂縫L4出現(xiàn)較晚，但擴(kuò)展速度較快，內(nèi)水壓力達(dá)到3.9 MPa后，在蝸殼頂面貫通，并沿側(cè)面向下延伸，內(nèi)水壓力為4.2 MPa時(shí)，裂縫寬度為0.10 mm。

圖9 超載試驗(yàn)?zāi)Ｐ土芽p示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)模型試驗(yàn)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(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)。模型試驗(yàn)結(jié)果表明，在保壓水頭和設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力下，鋼蝸殼應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)變均在強(qiáng)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(shuō)明設(shè)計(jì)保壓值選取是合適的。

(2)在最大設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力2.80 MPa下，裂縫連通，但裂縫寬度較小，重復(fù)加載后裂縫寬度沒(méi)有增大，范圍沒(méi)有擴(kuò)展，說(shuō)明裂縫是穩(wěn)定的。蝸殼應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變均滿足強(qiáng)度要求。說(shuō)明蝸殼設(shè)計(jì)是合理的、安全的。

(3)在1.5倍的設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力下，鋼蝸殼的應(yīng)力仍小于材料的允許應(yīng)力，說(shuō)明鋼蝸殼是安全的。蝸殼頂面裂縫L2擴(kuò)展，并有新的裂縫出現(xiàn)，開(kāi)裂范圍較大，裂縫附近多個(gè)測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力超過(guò)200 MPa，但鋼筋應(yīng)力尚未超過(guò)屈服強(qiáng)度。說(shuō)明結(jié)構(gòu)的超載能力較強(qiáng)。

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

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