锦屏二级水电站水轮机组蜗壳外包混凝土浇筑阶段变形特征分析

李天述

摘 要：锦屏二级水电站水轮机组蜗壳采用金属蜗壳，金属蜗壳焊装完成后在其外部进行二期钢筋混凝土浇筑，使其与外包二期钢筋混凝土结为一体。本文通过锦屏二级水电站1号机组蜗壳充水保压浇筑阶段内水压力由2.6MPa卸压至0MPa过程中，蜗壳钢板应力、间隙开合度、外围钢筋混凝土应力应变的变化情况，分析蜗壳的变形特征。监测成果表明，蜗壳内水压力卸除后，蜗壳表现的变形特征符合常规变化规律。

关键词：水轮机；蜗壳；变形特征分析

0 前言

水轮机组蜗壳及外包二期钢筋混凝土在机组运行时共同承担高速旋转水流产生的作用力。充水保压浇筑蜗壳外包二期混凝土的过程，从理论上讲是把金属蜗壳假设成一个密封的压力容器，人工模拟蜗壳在运行水头作用下，利用金属蜗壳的温度变形和保压水头的膨胀作用，充水加压使蜗壳预先膨胀，维持一定内水压力浇筑外包混凝土，待全部浇筑完后放水卸压。卸压后蜗壳收缩，与混凝土之间将产生一定的间隙，此间隙即为蜗壳在运行水头作用下膨胀所需间隙。间隙开度大小与保压水头有关。

1 概况

蜗壳是锦屏二级水电站水轮机组的大型过流和重要隐蔽部件，设计采用钢板型号B610CF型钢材，抗拉强度610MPa，弹性模量为210GPa。混凝土浇筑采用充水保压保温方式，要求蜗壳内水压力为2.6MPa，水温为20℃～25℃。蜗壳内充水保压系统主要由加压水泵及其控制装置、蜗壳进口闷头、座环密封环等组成。蜗壳在外包二期钢筋混凝土浇筑前进行蜗壳水压试验以检验蜗壳、座环焊缝的焊接质量，浇筑过程中对蜗壳进行充水保压，浇筑完成后排水卸压。

2 蜗壳监测仪器布置

锦屏二级水电站1号水轮机组蜗壳监测内容包括蜗壳钢板应力、间隙开合度、外围钢筋混凝土应力应变。共布置4个监测断面，每个断面布置3支钢板应力计、3支钢管缝隙计、6支钢筋计、2组五向应变计组，布置部位分别在蜗壳顶部、腰部和底部。

3 蜗壳外包混凝土浇筑阶段监测成果分析

3.1 钢板应力

1号机组蜗壳安装钢板应力计12支。蜗壳排水卸压前，在2.6MPa内水压力作用下，蜗壳钢管膨胀，整体呈受拉状态，最大拉应力为106.89MPa；蜗壳排水卸压至0MPa后，蜗壳钢管回缩，腰部与顶部钢板应力衰减相对明显，最大变化量为-191.52MPa，钢管整体呈受压状态，最大压应力为174.51MPa。蜗壳底部的钢板应力值卸压前后较小，其变化也较小。

3.2 钢管与外包混凝土的缝隙开合度

1号机组蜗壳安装钢管缝隙计12支。蜗壳排水卸压前，在2.6MPa内水压力作用下，钢管与外包混凝土接触紧密，最大开合度为0.12mm；蜗壳排水卸压至0MPa后，蜗壳钢管回縮，腰部与顶部的缝隙张开相对明显，最大变化量为1.19mm，最大开合度为1.31mm。蜗壳底部的缝隙值卸压前后较小，其变化也较小。

1号机组蜗壳内水压力由2.6MPa卸压至0MPa过程中，蜗壳钢板应力与开合度测值断面分布见图1～图4。

3.3 钢筋应力

1号机组蜗壳安装钢筋计24支。蜗壳排水卸压前，在2.6MPa内水压力作用下，钢筋实测应力介于-2.23～136.72MPa，基本处于受拉状态，大部分测点实测应力在25MPa左右；蜗壳排水卸压至0MPa后，内水压力解除，实测钢筋应力普遍减小，大部分测点实测应力降低10MPa左右。

3.4混凝土应变

1号机组蜗壳共埋设了8组五向应变计组（含8支无应力计），其中，4组埋设于蜗壳腰部，4组埋设于蜗壳底部。蜗壳排水卸压前，在2.6MPa内水压力作用下，混凝土实测应变介于-381.66～287.84με，大部分测点实测应变在-150με左右，基本处于受压状态；蜗壳排水卸压至0MPa后，内水压力解除，混凝土的实测应变量基本无变化。

4 结论

（1）1号水轮机组蜗壳在外包钢筋混凝土浇筑施工期间，在2.6MPa内水压力作用下，钢管与混凝土接触紧密，实测最大开合度为0.12mm；蜗壳钢管膨胀，钢板应力整体呈受拉状态，最大拉应力为106.89MPa；外包钢筋混凝土中的钢筋应力基本处于受拉状态，大部分测点实测应力在25MPa左右；混凝土基本处于受压状态，实测应变在-150με左右。

（2）1号水轮机组蜗壳外包钢筋混凝土浇筑完成后排水卸压，内水压力由2.6MPa卸压至0MPa后，蜗壳钢管回缩，蜗壳顶部及腰部与混凝土接触缝开合度略有增长，较卸压前开合度最大变化量为1.19mm，实测最大开合度为1.31mm；蜗壳腰部与顶部钢板应力衰减相对明显，较卸压前最大变化量为-191.52MPa，钢管整体由受拉状态转为受压状态，最大压应力为174.51MPa；外包钢筋混凝土中的钢筋应力普遍减小，大部分测点实测应力降低10MPa左右；混凝土的实测应变量基本无变化。

（3）蜗壳内水压力卸除后，蜗壳膨胀状态解除，蜗壳顶部及腰部与混凝土接触面略微张开，钢管整体由受拉状态转为受压状态，外包钢筋混凝土中的钢筋应力普遍略微减小，而混凝土的实测应变量变化很小，蜗壳底部的钢板应力值和缝隙开合度始终较小，基本无变化，蜗壳变形特征基本符合常规变化规律。