河床式水电站混凝土蜗壳防渗措施研究

张志川，伍鹤皋，石长征

(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)

河床式水电站混凝土蜗壳防渗措施研究

张志川1，伍鹤皋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)

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。

混凝土蜗壳；非线性有限元；限裂；防渗措施；混凝土损伤

1 研究背景

蜗壳结构是水轮机的重要过流部件，也是水电站厂房中的重要建筑物，它的任务是向水轮机提供平稳水流和承受水轮发电机组的静动荷载。蜗壳结构设计直接影响机组的稳定安全运行，是水电站建设中重要的技术经济问题[1]。在河床式水电站中，多采用梯形断面的混凝土蜗壳，进口段跨度大，侧墙高，受力条件复杂，内水压力作用下的应力水平较高，容易引起混凝土开裂。另外，施工期混凝土的离析、塑性变形、碳化收缩、干缩、水化热温升及运行期水温的变化也容易导致蜗壳部位混凝土开裂。由于蜗壳是水轮机的过流部件，因此，对混凝土蜗壳而言，除强度设计外，其防渗设计也是一个需要重点关注的问题。

根据国内现行规范的要求，混凝土蜗壳结构应进行限裂验算。对于水头不同的电站，因蜗壳结构尺寸和承受内水压力的不同，有的通过计算配置限裂钢筋即可满足限裂要求[2]。当配置限裂钢筋不能满足限裂要求时，蜗壳内壁应增设防渗层，工程上一般的做法是内设钢衬防渗。内设钢衬防渗效果好，工程上运用的案例很多，技术成熟。此外，工程上还采取提高混凝土强度等级、在混凝土蜗壳一定范围内使用抗(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，引起温度裂缝的问题。抗(限)裂纤维作为一种较为实用且规范性的材料，其性能指标是优越的，应用及推广均有章可循，但因为其在混凝土单位体积中的造价较高，难以适应较大体积的混凝土浇筑[2]。

预应力混凝土蜗壳通过预先对蜗壳结构上相对薄弱的部位施加应力，可减小控制截面的弯矩值，将轴向拉应力转化为轴向压应力或减小轴向拉应力量值，从而限制裂缝宽度，以满足防渗要求。具有承载力高、抗裂性好、变形小、防渗性好等特点[3]。我国高坝洲水电站混凝土蜗壳采用预应力方案进行加固，蜗壳运行1 a后，经监测发现，整个蜗壳基本呈受压状态，未发现有裂缝，说明其运行状态是良好的[4]。但是，预应力混凝土蜗壳也有它的不足之处，如预应力技术在复杂结构中可实施性和可靠性较差、工程经验不足、预应力筋的布置影响结构设计等。

目前对混凝土蜗壳防渗问题的研究还不充分，以上工程措施虽然在实际工程中均有运用，但其对裂缝开展的控制和受力特性的影响尚不明确，各措施均有其自身的优越性和局限性，目前工程界对混凝土蜗壳的防渗问题还没有形成完全统一的认识。本文将结合某水电站工程实际，研究普通强度混凝土加防渗钢衬、高强混凝土、钢纤维混凝土、环氧砂浆材料、预应力混凝土等措施对混凝土蜗壳开裂特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防渗措施，供工程实际参考。

2 计算条件

某河床式水电站采用混凝土蜗壳结构，平面包角210°，具有不对称梯形断面。进口断面处边墙厚4.0 m，最大净高15.0 m；顶板最小厚度5.0 m，上承水轮机机墩，并为水轮机层楼面；流道范围最大平面净宽为28.0 m；正常运行工况下，蜗壳设计内水压力为0.6 MPa。由于水头高，规模大，加上蜗壳具有高侧墙、大进口断面、不对称梯形轮廓，受力条件不利，在混凝土蜗壳中具有一定的代表性。

图1 蜗壳断面和计算模型示意图Fig.1 Schematic diagram of the section and calculation model of spiral case

本文建立了三维整体模型，采用有限元软件ABAQUS进行计算，计算模型如图1所示，各材料的力学参数见表1。普通钢筋、预应力钢绞线、C25和C40混凝土的材料力学参数按《水工混凝土结构设计规范》(DL/T 5057—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《环氧砂浆技术规程》中相关规定及参考新安江电站[5]中使用的环氧砂浆材料性能指标来综合取值。预应力混凝土蜗壳中预应力筋选用1 860 MPa级的预应力钢绞线，单束预应力筋由12根7Ø5钢绞线集束制备，设计控制张拉力为2 000 kN。

表1 材料力学参数

Table 1 Mechanical parameters of materials

材料弹性模量/MPa泊松比重度/(kN·m-3)抗压强度/MPa抗拉强度/MPa普通钢筋2．06×1050．30078．5310．0310预应力钢绞线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钢纤维混凝土3．25×1040．16725．019．12．20环氧砂浆1．36×1040．20023．4≥10

非线性计算时采用ABAQUS软件中的混凝土损伤塑性模型来模拟混凝土的开裂以及开裂后的软化、损伤和塑性变形等力学特性[6]。该模型具有较好的收敛性，在蜗壳结构的非线性问题分析中已经有较好的运用[7-8]，其定义的单轴拉伸应力软化曲线和拉伸损伤曲线如图2(以C25混凝土为例)所示。若损伤值等于0，则表示混凝土的拉应力小于抗拉强度，结构未损伤，处于线弹性的应力-应变阶段；若损伤值等于1，则表示结构完全损伤，已失去承载能力；若损伤值在0和1之间，则表示结构仍有剩余强度，处于拉伸软化阶段。

图2 C25混凝土应力-开裂应变与损伤-开裂应变曲线Fig.2 Curves of tension stress and tension damage vs. cracking strain of concrete C25

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

Table 2 Different calculation schemes

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15mm环氧砂浆E普通C25蜗壳内表面15mm钢衬F预应力混凝土C25无

4 计算结果分析

4.1 混凝土损伤

由损伤图对比分析可知，各方案混凝土的损伤区分布大致相同，但是损伤程度各异，各计算方案蜗壳混凝土的损伤如图3所示。在机组中心线上游，蜗壳断面孔口尺寸最大，而顶板、底板和边墙厚度却相对最薄，这些部位损伤较严重。左侧边墙外表面中部位置，顶板、底板内表面与边墙相交处是蜗壳混凝土损伤最为严重的地方。

图3 各方案蜗壳混凝土损伤Fig.3 Damages of the spiral case concrete in different schemes

各方案采用不同的防渗措施，相应的混凝土损伤程度也不一样。方案A蜗壳部位采用普通强度混凝土C25，内表面没有设置防渗层，在6个方案中混凝土损伤最严重；方案B相对方案A提高了混凝土的强度等级，蜗壳外围混凝土的损伤范围有所降低，但是蜗壳薄弱部位的混凝土损伤仍然较严重；方案C采用钢纤维混凝土，混凝土的损伤范围和程度均明显降低，说明钢纤维混凝土能有效改善混凝土的损伤情况。

方案D蜗壳内表面设置环氧砂浆层，由计算可知环氧砂浆的最大主应力为4.83 MPa，通常环氧砂浆的抗拉强度可达10 MPa以上，因此该环氧砂浆层不会开裂。但环氧砂浆层对蜗壳外围混凝土损伤开裂的限制作用较小，混凝土的损伤范围和程度与方案A基本相同。方案E采用防渗钢衬后，蜗壳部位混凝土的损伤情况基本没有改善，说明防渗钢衬一般作为防渗层使用，对改善结构受力和控制混凝土损伤的效果不明显。但是在蜗壳内表面设置防渗层后，蜗壳部位混凝土的裂缝宽度限值可以提高，从而达到防渗的目的。

方案F采用预应力措施加固后，混凝土的损伤范围和程度大大降低，最大损伤值由方案A的0.963降低至0.657，结构上相对薄弱位置的损伤情况也都得到很大程度的改善。说明采用预应力混凝土蜗壳能有效改善蜗壳部位混凝土的损伤，从而限制裂缝的开展，起到防渗的目的。

4.2 钢筋应力

为了解蜗壳关键部位的钢筋应力，选取蜗壳进口1#断面、0°断面和90°断面，将各个断面特征点的环向钢筋应力列于表3，典型断面位置如图1(a)所示。此外，各方案下整个蜗壳流道周围钢筋的最大应力值也列于表3。

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

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

钢筋的应力大小与混凝土的损伤情况有关，蜗壳0°断面附近混凝土损伤最严重，相应地该部位钢筋应力最大。蜗壳进口1#断面由于尺寸大，结构相对薄弱，该区域的钢筋应力也较大。0°断面以后，沿着水流向，断面尺寸逐渐减小，混凝土损伤程度降低，钢筋的应力也逐渐减小，至90°断面已经是很小的拉应力或压应力。

方案A没有采取任何防渗措施，结构受力相对不利，相应的钢筋应力最大，为103.78 MPa；蜗壳部位采用高强混凝土后，钢筋应力水平有所降低，最大钢筋应力为93.98 MPa，降低程度并不大；当采用钢纤维混凝土时，钢筋应力水平进一步下降，最大钢筋应力降低至82.83 MPa；方案D和方案E均在蜗壳内表面设置防渗层，但由于环氧砂浆的弹性模量相比防渗钢衬要小，其对外围混凝土的受力改善效果略微明显，最大钢筋应力降低至80.22 MPa。防渗钢衬对改善外围混凝土的受力效果相对不明显，钢衬基本起防渗作用；使用预应力加固措施后，能在很大程度上降低蜗壳混凝土的拉应力水平，相应的钢筋应力水平也得以降低，最大钢筋应力值仅为47.37 MPa。

4.3 蜗壳混凝土裂缝宽度验算

运用《水工混凝土结构设计规范》(DL/T 5057—2009)中给出的大体积钢筋混凝土结构裂缝宽度验算的2种方法，对混凝土蜗壳的裂缝宽度进行验算，各方案的验算结果列于表4。对于每种验算方法，必须要有相应的裂缝控制标准，本文通过总结国内外相关规范，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层时，表面受拉钢筋的应力限值取80 MPa，最大裂缝宽度取为0.15 mm；若混凝土蜗壳内壁设有专门的防渗层，钢筋应力限值取100 MPa，最大裂缝宽度取为0.25 mm。

表4 各方案混凝土蜗壳裂缝宽度验算

Table 4 Crack width of concrete spiral case in each scheme

方案最大钢筋应力/MPa最大裂缝宽度/mm计算值限值计算值限值A103．78800．220．15B93．98800．120．15C82．83800．060．15D80．221000．130．25E90．581000．170．25F47．37800．040．15

由验算结果可知，方案D,E,F在2种验算方法下均满足要求，即蜗壳部位采用普通强度混凝土C25并内设环氧砂浆层、采用普通强度混凝土C25并内设防渗钢衬以及采用预应力混凝土蜗壳的方案其裂缝宽度能满足要求；采用钢纤维混凝土时，混凝土蜗壳的裂缝宽度基本能满足要求；蜗壳部位采用高强混凝土C40或者普通强度混凝土C25，且内表面不设置任何防渗层时，其裂缝宽度基本难以满足要求。

5 混凝土蜗壳防渗措施的综合比较

上述研究表明，混凝土蜗壳不采取任何防渗措施时，一般不能满足防渗要求；当提高蜗壳部位混凝土强度等级到C40时，仍然难以满足防渗要求。如果要起到较好的防渗效果，则必须使用更高标号的混凝土。但是，随着混凝土强度等级的不断提高，成本会相应增大且施工时混凝土碳化收缩、干缩、水化热温升更大，对温控的要求更高，因此不建议将提高混凝土的强度等级作为一种有效的防渗措施使用。使用钢纤维混凝土能有效解决混凝土蜗壳的防渗问题，但鉴于钢纤维混凝土价格昂贵、成本高、施工工艺复杂，不适宜大范围使用，建议在小范围内或混凝土蜗壳结构上相对薄弱的部位局部使用。

蜗壳部位采用普通强度混凝土C25且在内表面设置环氧砂浆层时，环氧砂浆应力能够满足要求，不会开裂，蜗壳外围混凝土的裂缝宽度也满足要求，但随着电站运行时间的增加，环氧砂浆不可避免地存在老化开裂问题，因此环氧砂浆作为混凝土蜗壳的防渗层材料存在可靠性问题，不建议将其作为混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将环氧砂浆换成防渗钢衬，由计算结果分析可知，该方案蜗壳混凝土裂缝宽度满足要求，能有效解决混凝土蜗壳的防渗问题，可作为一种有效的防渗措施使用。方案F采用预应力加固措施，由计算结果分析可知，预应力混凝土蜗壳的损伤程度较轻、钢筋应力水平较低、最大裂缝宽度数值较小，满足裂缝宽度要求。可见，采用预应力对混凝土蜗壳进行加固，不仅能改善结构受力，而且能控制裂缝的开展，使之满足防渗要求，是一种有效的防渗措施，具有一定的推广价值。

6 结 论

采用ABAQUS软件对某河床式水电站混凝土蜗壳的多种防渗方案进行了三维非线性有限元计算，经对比分析，得到以下研究结论：

(1) 混凝土蜗壳不采取任何防渗措施时一般不能满足防渗要求，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，但考虑到成本问题建议在混凝土蜗壳结构上相对薄弱的部位局部使用；环氧砂浆材料除非能解决其老化开裂问题，否则不建议使用。

(2) 普通强度混凝土并内设防渗钢衬方案以及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。考虑到预应力加固方案的工程经验不足，建议在常规水头的电站中将防渗钢衬方案作为混凝土蜗壳防渗的优选方案，而在水头较高的电站中可采用预应力混凝土蜗壳的方案解决其防渗问题。

[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.

[2] 王 琛,栾远新,马 军. 聚丙烯纤维材料在尼尔基水电站混凝土蜗壳中的应用[J]. 东北水利水电, 2005, 23(7): 1-3，10.

[3] 佚 名. 高坝洲水电站水轮机预应力钢筋混凝土蜗壳结构研究与运用[J]. 科技进步与对策, 2001，18(10)：176.

[4] 徐麟祥, 陈麟灿. 高坝洲水电站设计概述[J]. 水力发电, 2002，(3)：19-20，31.

[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): 31-34.

[6] LEE J, FENVES G L. Plastic-damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structures[J]. Journal of Engineering Mechanics, 1998, 124(8): 892-900.

[7] 伍鹤皋, 田海平, 李永祖. 水电站混凝土蜗壳三维有限元分析[J]. 武汉大学学报(工学版), 2007, 40(5):53-57.

[8] 向功兴, 杨亚军, 伍鹤皋,等. 河床式厂房止水布置和混凝土蜗壳座环柔度[J]. 武汉大学学报(工学版), 2010, 43(1): 46-50.

(编辑：罗 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

国家自然科学基金资助项目(51179141)

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。

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)wbf1988@vip.sina.com。

10.11988/ckyyb.20150772

2016,33(12):128-132

TV43

A

1001-5485(2016)12-0128-05