水电厂蜗壳裂缝分析与治理

文章编号:055929342(2002)0420046203
水电厂蜗壳裂缝分析与治理
刘国华,王振宇,钱镜林
(浙江大学,浙江杭州　310027)
关键词:蜗壳;裂缝;温度应力;有限单元法;抗裂强度
摘　要:结合某水电厂1号机组的蜗壳裂缝情况,深入地研究了水工混凝土建筑物的裂缝危害性评估与治理方法。

采用有限元方法计算了蜗壳典型断面的温度场和应力场,对蜗壳的抗裂能力进行了验算,分析蜗壳裂缝的成因和裂缝的稳定性,提出了裂缝治理方案。

通过工程实践,证明裂缝分析合理,治理效果良好。

中图分类号:T V315;TK7301312 文献标识码:B
水工混凝土建筑物的裂缝是比较常见的病害,它一直困扰着水工工程师。

国家在“七五”攻关项目中就列入了“高混凝土坝的裂缝及其防治”研究课题,取得了不少成果,但问题并未彻底解决,而且大多数研究主要着眼于设计与施工中的混凝土坝,对于运行期的中小型水利枢纽工程如何防止出现裂缝,有了裂缝如何控制和治理,如何评估裂缝对建筑物的危害等方面仍存在不少问题。

笔者结合某水电厂1号机组的蜗壳裂缝情况进行了研究。

主要分析了1号机组蜗壳裂缝的成因和裂缝的稳定性,提出了裂缝治理方案,并重点探讨了裂缝治理后,蜗壳在外力和温度荷载作用下的应力状况,对经裂缝治理后的蜗壳抗裂能力作出了评价。

1　工程概况
某水电站是一座以发电为主,兼顾通航的大型水利枢纽工程。

电站地处气候温和地带,年平均温度为19130℃,月平均气温9℃以上。

水库总库容1154×108m
3,设计正常高水位88m,电站总装机容量300MW。

枢纽由河床式电站、溢流坝、船闸及左右岸重力坝段等组成。

水轮机型号为ZZF012 LH2800,最大工作水头24m,水轮机与容量为75MW的伞式发电机直接连接。

机组蜗壳采用“T”形结构,蜗壳平面包角为180°,进口断面面积F=7615m2,进口处平均流速V cp= 31431m/s,流速系数α=0182,蜗壳混凝土强度按照能够承受30m水柱设计。

蜗壳的纵剖面见图1。

1999年大修检查时,发现1号机组蜗壳在0、90、120°断面附近存在一些裂缝,并有渗漏现象。

这些裂缝对机组的正常运行有不利影响。

2　有限元分析
211　分析方法
钢筋混凝土蜗壳是一复杂的空间结构,以往的设计中多以平面结构力学的方法为主,随着计算水平的提高,采用二维、三维有限元方法可取得较满意的成果。

本文中采用通用
图1　蜗壳纵剖面(高程:m)
有限元分析程序Alg or Feas进行蜗壳的温度场和应力场计算。

有限元计算断面取实际已出现裂缝的3个典型断面(0、90、120°),依据轴对称问题进行计算。

为了明确各种荷载对蜗壳裂缝的影响,按3种工况计算:①自重+机墩荷载+水压;②温度荷载;③自重+机墩荷载+水压+温度荷载。

212　计算模型简介
有限元分析对象为蜗壳及其周围混凝土,计算模型上端至机墩顶部,下端为尾水管锥管段末端,上下游侧取二期混凝土外缘,坝轴线方向为机组段分缝处。

计算模型采用三节点和四节点的轴对称单元划分。

0°断面的有限元网格划分见图2。

蜗壳受到的荷载主要包括:结构自重、机墩传来的荷载、水轮机层楼地面荷载和蜗壳的内水压力。

荷载计算数据取自设计文件。

蜗壳材料为钢筋混凝土,混凝土标号为200号,容重24kN/m3,弹模取26G Pa,泊松比为01167,混凝土的热膨胀系数取1×10-5K-1。

收稿日期:2000212214
作者简介:刘国华(1963—),男,福建莆田人,浙江大学土木工程学系教授,博导,主要从事水工结构分析与优化的研究工作1
64水力发电・2002年・第4期
图2　0°断面网格划分及应力点位置编号
213　边界条件
(1)蜗壳应力计算边界条件。

根据轴对称问题的特点及蜗壳受力状态,选取边界条件如下:约束计算模型下端的竖向位移,蜗壳开口处采用间隙元来模拟座环对蜗壳的约束。

(2)蜗壳温度场计算边界条件。

考虑到对于蜗壳应力较不利的温度条件为“温降”工况,根据水电厂多年温度记录数据,选取运行时蜗壳充水边界的温度为1315℃(温降工况下的水温),计算模型下端与尾水管相接部分取绝热边界,其余边界取1815℃(相当于温降工况下水轮机层的室内温度)。

由于自施工浇筑至今所产生的温度应力十分复杂,难以准确量化,且本文偏重于探讨裂缝治理后的温度应力状况,假定在蜗壳裂缝治理之时,多条裂缝的产生已经释放了此时的大部分温度应力(此时的温度应力近似地视为零),所以将裂缝治理时蜗壳的温度场作为应力自由参考温度(即无应力时的参考温度)。

温度场分析中的边界条件按固定温度考虑,不考虑计算模型与环境的对流与热辐射效应。

将温度场计算所得的各节点温度加到相应的应力分析断面的节点上,即可计算温度荷载作用下的蜗壳应力。

214　计算结果与分析
有限元计算的结果经后处理,可获得直观的应力分布。

由于导致混凝土开裂的主要原因是主拉应力大于混凝土的抗拉强度,因此应重点分析最大主应力,有限元计算结果见表1和表2。

表1、2中所列应力点的位置及编号见图2。

根据有限元计算结果可得如下结论:
(1)所分析的3个蜗壳断面中,0°断面为最不利断面。

(2)蜗壳3个计算断面不考虑温度荷载的最大主拉应力均较小,最大为113MPa,考虑温度荷载后的最大主拉应力显著增大,最大达217MPa。

若再加上施工期的温度应力,数值就更大了。

可见,温度荷载对蜗壳的应力状况影响很大,是蜗壳产生裂缝的主要原因,在设计施工中不能忽视。

三个计算断面的混凝土抗压强度都能满足设计要求。

(3)3个计算断面在第③种荷载工况下,最大主拉应力大于113MPa的范围均有不同程度的分布。

因此,素混凝土是不足以抵抗裂缝的发生和发展,蜗壳的防裂钢筋对于防止裂缝发生和发展起着重要作用。

对比各计算断面蜗壳最大主拉应力与环向拉应力可以发现:蜗壳受到的环向应力占较大的比例,适量的环向配筋是十分必要的。

(4)在同一计算断面中,蜗壳形状突变处存在局部应力集中,表现为最大主拉应力一般发生在蜗壳断面的拐角处,最大主拉应力的位置与蜗壳的实际裂缝位置基本一致。

蜗壳与水轮机座环相连接处,由于座环的约束作用,也存在着应力集中。

(5)对于不同计算断面,各种荷载对蜗壳受力影响的程度是不同的。

机墩传来的荷载与水轮机层地面荷载对蜗壳应力状况影响较小,温度应力占蜗壳应力的比例随着计算断面角度的增大而增大。

表1　蜗壳0°断面最大主应力MPa
计算断面荷载工况
最大主应力(拉为正)
1号点2号点3号点4号点5号点6号点7号点
0°断面①-012111112017113111-0125
②117113110017118015110
③018213212115217115012
90°断面①-011016015013110110-012
②1171120190175117015115
③113114112110212113016
120°断面①-011013012011014015-012
②1161131100192120165110
③114113111110211110013
表2　蜗壳0°断面环向拉应力MPa
计算断面荷载工况
环向拉应力
1号点2号点3号点4号点5号点6号点7号点
0°断面③0161151151145112015-90°断面③1125112511101901850165-120°断面③113112110019110017501174
刘国华,等:水电厂蜗壳裂缝分析与治理
表3　蜗壳0°断面抗裂度计算结果
验算项目N /106N e 0/mm f tk /MPa A 0
/106mm 2αct
W 0
/109mm 3γm
γm αct f tk A 0W 0
e 0A 0+γm W 0
/106
N 抗裂度验算结果环向抗裂度
21174001163103017115511552126满足(富裕411%)
竖向抗裂度
1129
1160
116
3107
017
1161
1155
1142
满足(富裕1011%)
表4　环氧树脂浆液、胶泥用料配合比及技术性能
名称用料配合比(重量计)
环氧树脂
邻苯二甲酸二丁酯
二甲苯(或丙酮)
乙二胺
粉料硬化时间
/h
与混凝土粘结力
/MPa
抗拉强度
/MPa
备　注
环氧树
脂浆液1001040～608—
———注射或用毛笔涂刷浆液1001040～50
8～1212～24217～310510注浆用浆液环氧树脂胶泥
10010—10～1250～10012～24217～510
510嵌缝、固定注浆嘴1001030～408～1225～4512～24——涂面和粘贴玻璃布用
100
20
—
14～15
100～150
———
抹面胶泥
3　蜗壳抗裂度验算
因蜗壳0°断面是最不利断面,故抗裂度验算取蜗壳0°断面单宽侧墙进行计算,抗裂度验算采用的内力取蜗壳在第③荷载工况下的内力,内力由截面应力积分而得。

验算项目包括:蜗壳的环向抗裂度及竖向抗裂度。

按偏心受拉构件进行抗裂度验算的公式为:
N ≤
γm αct f tk A 0W 0
e 0A 0+γm W 0
(1)
式中,γm 为截面抵抗矩的塑性系数;αct 为混凝土拉应力限制系数,对荷载效应的短期组合取0185,对长期组合取0170;f tk 为混凝土的轴心抗拉强度标准值;A 0为换算截面面积;W 0为换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩;e 0为轴向拉力的偏心距。

计算结果见表3。

抗裂度验算结果表明:蜗壳侧墙的环向和竖向抗裂度满足要求,但环向配筋稍显薄弱。

4　蜗壳裂缝治理
411　裂缝治理方法
在所发现的裂缝中,有些为蜗壳二期混凝土分块浇筑的构造缝,对于这种构造缝以防渗堵漏为主,防止至水轮机层贯穿性裂缝漏水,其余部位的裂缝则进行防渗加固。

在裂缝治理时应注意避免破坏原布置于构造缝上的止水片。

根据本工程实际情况,蜗壳裂缝采用化学灌浆方法进行治理。

裂缝化学灌浆的主要施工步骤如下:①清理裂缝表面浮浆、析钙及其他污物,使裂缝完全暴露出来;②根据裂缝走向、开度大小等因素选择合适的位置布设灌浆盒;③封缝、试气和补缝;④灌浆,灌浆材料选用环氧树脂浆液;⑤裂缝表面防水层处理,在防水层接头、注浆嘴及形状不规则部位采用环氧树脂胶泥密封。

化学灌浆用料的配合比及技术性能可参见表4。

412　治理效果
1999年12月对1号机组蜗壳裂缝进行了治理,根据现
场各部位观察和原位监测,经过治理后的裂缝未发生渗漏和
裂缝发展迹象,机组运行状况良好,这说明裂缝分析结果与治理方案是合理的,蜗壳的整体性、耐久性及安全度有所提高。

5　结　语
(1)温度应力是蜗壳产生裂缝的主要原因。

要避免和减
少裂缝应注意以下几个方面:①蜗壳设计中应考虑温度应力
的不利作用,并适当配置温度钢筋;②蜗壳施工中对浇筑的混凝土应进行合理的分层分块,尤其是分块更为重要;③蜗壳检修期与运行期的内外温差对温度应力影响很大,合理控制检修期与运行期的温差变化将有利于防止混凝土裂缝的产生和发展;④做好蜗壳周围的温度观测将有助于分析蜗壳所受到的温度应力,进而更准确地评价裂缝的危害性。

(2)蜗壳抗裂钢筋的作用不容忽视。

特别是以往蜗壳设
计大多按平面Г形框架计算,没有计算实际存在的环向应力,不少工程都因环向配筋不足而引起径向和垂直裂缝。

按照构造要求,环向配筋一般不宜少于径向配筋的1/3。

(3)机组已运行多年,随着徐变以及部分裂缝的产生,蜗
壳混凝土中施工期所产生的温度应力已大部分释放,因此,裂缝加固后温度应力不致于很大,但要特别注意温度剧变产生较大的温度应力致使混凝土重新开裂。

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84水力发电・2002年・第4期。