灯泡贯流式机组流道混凝土分期施工与承载特性研究

杨兴阶 李明伟 谭靓 湖北水总水利水电建设股份有限公司

1 前言

灯泡贯流式水电站中水轮机机组利用卧式布置，出水方向为轴向贯通，流道形状较为简单，施工较为便捷。但受施工工艺、机组分期安装等因素影响，厂房流道混凝土多采用分期浇筑方式施工。以往对两期混凝土面黏结质量关注度不足，接缝面经常出现开裂、剥离等情况，致使结构无法正常使用。对此，应深入探究新老混凝土接缝面的应力分布特点，对其承载特性开展研究，并采取科学的施工方案提高工程效果。

2 工程概况

碾盘山水利水电枢纽工程位于汉江中下游干流，上距建设中的雅口航运枢纽58km、丹江口水利枢纽坝址261km，下距钟祥市区10km，是汉江中下游规划开发梯级中的倒数第二级。该工程水库正常蓄水位50.72m，对应库容8.77亿立方米，死水位50.32m，混凝土连接坝最大坝高25.80m，具有日调节性能，河床径流式电站总装机180MW。本工程为Ⅱ等工程，航道渠化后，通航等级由Ⅳ级提高到Ⅲ级标准，船闸设计标准为1000吨级。本电站为河床式厂房，厂房布置在混凝土连接坝段与泄水闸之间，共安装6台SFWG30-88/8300转轮直径7.50m的灯泡贯流式发电机组，机组安装高程为31.50m，单机容量30MW。

3 混凝土施工技术

3.1 模板规划设计

在管形座上游和进水口中间的结构较为奇特，是由方变圆的渐变形构成，下游为垂直面。对上游渐变段利用异型模板设计与拼装，两端和顶部均利用满堂钢管排架支撑，下游面利用组合钢模板。模板利用钢管支撑，全部拉紧和支撑架都不可焊接在周围管形座上，而是要锚固到混凝土内的预埋钢筋骨架中，以免在浇筑、振捣期间使已经安装完毕的管形座变形。在立模完毕后，检查好结构尺寸，保证立模垂直度、平整度、缝隙等均可满足质量标准。模板材料应选择优质的钢材、钢混等材料，木材质量应超过Ⅲ等以上，腐朽严重的木材禁止使用。钢模板厚度应超过3mm，钢板面应光滑，禁止存在凹陷、褶皱等质量问题，拥有足够的刚度和承载能力。模板制作应根据施工图纸要求，在模板安装前进行测量放样，允许偏差和密度均要满足相关规定，即平面误差不可大于5mm，个别不可大于1cm，尽可能地精确调整，为施工期间模板位移和变形预留宽容度。在模板安装中，应设置临时固定设施，避免变形和倾覆；安装好的模板应有充足的新浇混凝土自重与侧压力。在模板工序完成后，由承包方自行检验，再由监理工程师进行质量验收[1]。

3.2 钢筋加工安装

在钢筋材料加工中，因构件存在差异，加工需求也不尽相同。在正式加工前需分析图纸内容，掌握不同构件的加工需求，保障生产的钢筋构件能够顺利投入使用，避免材料浪费。在钢筋绑扎期间，应根据设计图纸放样，施工前试制对应编号的待用钢筋，严格把控施工工序，在确保试件符合需求后再正式生产。该项目二期混凝土钢筋包裹在管形座外圈，采用两层环向钢筋网进行包裹，上游渐变段环向钢筋每根的尺寸、形状均不尽相同。在钢筋加工期间，应根据管形座的外圈形状进行计算，在条件允许情况下，还可绘制三维图检验钢筋尺寸，保障加工数据准确可靠。

在钢筋材料搬运中，还要注意周围是否有障碍物，小心规避电气设备、电线等，避免出现触电事故。在钢筋起吊时，应保证规格统一，长短不同的材料，不可一次性起吊，应分类后进行起吊。在安装前应当进行试焊，当试件各项数据满足需求后才可开展焊接工作，还要处理好钢筋接头位置，将成品整齐堆放，保障物料安全。为了减少焊接接头，环向钢筋应将上下两段分开加工，坚持先下后上原则，在所有钢筋都浇筑完毕后进行安装，便于混凝土顺利入仓。

3.3 分层施工

因二期混凝土施工工期有限，支撑件数量较多，对变形控制要求较高，且腹部振捣密实度难以保障；结合现实情况，经过参建主体各方研究，决定采用分层施工法开展浇筑。按照设计图上的要求，将二期混凝土浇筑分成两个部分，即先浇块、后浇块。在先浇块施工完毕后安装管形座，在基础板下的定位螺栓孔灌注一级配微膨胀混凝土，最后根据施工顺序进行混凝土浇筑。因管形座属于特殊位置，为了避免座体下方特定范围内浇筑期间产生上浮力导致变形，二期管形座下浇筑层厚度应控制得当，如若超过混凝土的上浮力范围，可逐渐增加厚度。该项目管形座中轴线下方混凝土的分层厚度控制在1.5m以内，上方分层厚度不超过2.0m，共计分成15个浇筑层，实施分层浇筑施工。

3.4 浇筑、振捣与养护

在混凝土配合比设计中，该水电站采用P·O42.5水泥，粉煤灰为Ⅱ级，加强混凝土温度控制，采用低坍落度的混凝土，管形座二期采用C30二级配常态混凝土，坍落度在140cm～160cm之间，腹部以下利用高流态一级配C30混凝土，坍落度在160mm～180mm之间，减少水泥用量，以免产生过多的水化热。（1）浇筑。在正式浇筑前，先要准备好搅拌机、布料机、吊罐、振捣棒等设备，所有机具在施工之前检查完好，并考虑到故障时修理时间，配备专职人员随时检修；管形座安装后内部临时支撑保留，外部为永久支撑，且在管座底部下半圆布设直径为100mm的孔，不但便于底部浇筑时空气排出，还适用于后期接触灌浆。在浇筑前做好上述孔洞的清理与保护，在振捣密实后将孔内混凝土刮平，再设置灌浆管，用于后续接触灌浆。混凝土在拌和站拌制完毕，再由搅拌车运输到指定地点，常态混凝土利用塔机配立罐入仓，泵送混凝土利用混凝土泵入仓。在浇筑过程中，浇筑顺序为先下游、后上游，通常薄层水平浇筑，两端对称下料，下料期间禁止冲击管形座、支撑件等，两端高差应低于30cm，铺料层厚度在50cm以内，浇筑速度控制在30cm/h以内，液态混凝土高度应控制在60cm以内，两端分层对称振捣，不可出现过振、漏振等情况，也不可接触到支撑、预埋件等。严格控制混凝土的密实性、均匀性，一旦发现拌合物均匀性出现异常，应及时处理。将拌合物运送到浇筑地点后，检验其稠度，应与施工要求相符，出现混凝土离析、分层现象时，需要对其进行二次搅拌，将拌合物运送到浇筑地点时的温度，最高不要超过35℃，最低不应小于5℃，浇筑季节宜在低温季节进行，夏季高温时段要做好降温措施。（2）振捣。振捣时间以混凝土表面无气泡、没有明显下沉、开始泛浆为准，插入点整齐，间距为振捣器半径的1.5倍，插入下层混凝土中深度为5cm～10cm之间；振捣一次性完成，插入方向和角度相同，避免漏振；振捣棒应尽可能垂直插入混凝土中，坚持快插慢拔原则，振捣中泌水应及时刮除，不再模板上开洞引水自流；振捣器与模板垂直距离应超过振捣器半径的1/2。对底部两侧混凝土振捣完毕后，待侧壁前混凝土初凝，将混凝土紧贴管壁堆高20cm～30cm，形成反坡面，确保下层浇筑时能够完美结合，以免在管壁侧面出现锐角，难以实现堆筑与振捣。（3）养护。在浇筑完毕后，初凝过程应采用表面冲毛作业，要冲到表面无乳皮的程度，且骨料微露，再用低压力水进行养护。由专人负责进行养护，24h不间断，养护要求表面保持湿润，不能时干时湿。该项目采用电热法进行混凝土养护，保证混凝土温度均匀，加热时间设定应保证混凝土强度达到设计强度的50%，并满足以下要求。一是在加热时混凝土外露面应全部覆盖；二是采用交流电，对于钢混结构，应将电压降低到50V～110V之间；三是混凝土最高温度不应超过规定要求，进而设置自动控温装置、用电安全保险装置等，在加热期间，密切观察混凝土表面湿度，一旦出现干燥情况应立即停电，并用温水将表面润湿。

4 混凝土施工承载特性研究

4.1 接触理论与剪切强度

在常规施工环境下，一、二期混凝土接缝位置在未受力情况下黏结，当荷载开始逐渐提升，接缝面开始滑移甚至开裂。在上述状态变化期间，接缝面抗力从黏结力变成摩擦力，产生接触非线性问题。采用ABAQUS中的接触模块，在模型内设置等效剪应力进行模拟，当接缝面剪应力最大值超过设定值时，结构便开始滑动。通过Rand1研究结果可知，新老混凝土接缝面的抗剪力可用公式表示如下。

式中，V1代表的是黏结力；Vm代表的是抗剪摩擦力；Vd代表的是钢筋消栓作用力；ξ1代表的是粗糙度影响系数，取值为0.048；ξ2代表的是界面剂影响系数，取值为1.8；Ac代表的是接缝面积；p代表的是植筋率；μ代表的是摩擦系数；β代表的是抗剪力系数；Fy代表的是钢筋屈服强度[2]。

4.2 计算模型

该水电站的构成要素较多，包括泄水建筑物、厂房、泄洪坝段等，厂房布置在混凝土连接坝段与泄水闸之间，共安装6台SFWG30-88/8300转轮直径7.50m的灯泡贯流式发电机组，机组安装高程为31.50m，单机容量30MW。每个机组段朝着纵轴线方向宽度为15.2m，厂房地基与进水口间的距离为40.0m。因厂房基岩会干扰到整体结构，可在建基面下方相距120m的位置朝着上下游分别延伸120m。模型采用笛卡尔直角坐标，横轴为下游方向；纵轴为左岸，Z轴为铅直向上，在机组安装高程和2号机组轴线相交位置设置原点。利用ABAQUS内的三维单元，将B31梁单元钢筋在EMBEDDED指令下埋入实体单元内。该项目做出以下假定：一是在机组段之间设置永久分封，各段独立承载，可对某个段进行单独分析；二是混凝土、钢筋属于线弹性材料，在植入后不拔出；三是忽视温度产生的影响。

4.3 计算方法

在常规工况下，施加荷载由设备自重、流道内水压、楼面荷载以及上下游面水压力构成，其中上游正常蓄水位为50.72m，下游设计洪水位为48.52m。该项目中两期混凝土强度等级均为C30，板梁柱结构所用混凝土强度为C30，对比一、二期接缝面位置、处理方式产生的影响，共计制定四种计算方案，具体如下。第一种：混凝土整体浇筑，没有接缝面，与其他方案进行对比；第二种：采用分期施工，接缝面涂刷水泥净浆，粗糙度影响系数为0.070、界面剂影响系数为1.5；第三种：采用分期施工，接缝面不但涂刷水泥净浆，还植入钢筋，粗糙度影响系数为0.070、界面剂影响系数为1.5，植筋率为0.2，探究植筋对一期、二期混凝土整体性的强化效果；第四种：采用分期施工，优化接缝位置，涂抹水泥净浆，粗糙度影响系数为0.070、界面剂影响系数为1.5；将二期混凝土嵌入到一期中，只在接缝位置涂抹净浆，探究一、二期接缝面位置对整体性产生的影响。

4.4 有限元分析

按照计算结果，对四种计算方式下的接缝面接触状态、应力分布、水流位移距离等进行有限元分析，结果如下。

（1）接触状态分析。根据两期接触面的不同处理方法，在四种计算方式下开展接触状态分析，具体如下。第一种，采用整体浇筑的方式，混凝土整体受力，不会出现接缝面；第二种，只涂抹水泥净浆，大多数接缝面为张开状态，腰部滑动，只有底部闭合，两期混凝土中间滑动显著，为整体受力带来阻碍；第三种，在接缝面植筋，使闭合范围增加，但仍存在张开的区域；第四种，两期接缝面位置进行优化，闭合范围增加，但腰部接缝位置闭合范围有所降低。综合分析上述接触状态，与前两种相比，后两种的应用可使两期混凝土整体性显著增强。（2）应力分布分析。在常规荷载作用下，二期混凝土在不同计算方式下水流向应力不尽相同，结合应力等值线图，可得出应力分布情况如下。第一种方式的混凝土整体性最佳，拉应力与分布范围均较小，在立柱孔上游出现局部拉应力集中情况，且流道周围水流向拉应力的最大值为0.395MPa；第二种因两期混凝土间产生了滑移，接缝面只有很小面积为接触状态，难以发挥出一期混凝土承载力，致使二期拉应力增加，达到3.851MPa，开裂面积增加，与结构设计标准不符；第三种是在两期接缝面植筋，使混凝土整体性进一步增强，一期联合承载作用全部发挥出来，二期拉应力与第二种相比有所降低，最大值为1.524MPa；第四种是对两期接缝面位置优化处理，一期能够产生更多抗力，为二期拉应力降低提供诸多助力，拉应力最大值降为1.264MPa，与第三种相比收效更佳。（3）位移距离分析。在常规工况下，二期混凝土受流道内水压影响向下游变形，结合位移等值线图，可得出位移距离信息。第一种计算方式为整体浇筑，受上游水压力影响，位移距离较小，在1.24mm～1.86mm范围内，顶部位移小于1.95mm；第二种是在两期混凝土间涂抹水泥净浆，单纯依靠摩擦力增加抗滑能力，使二期混凝土能够受荷载影响，增加水流向位移，使移动距离超过第一种，上游整体接触面基本能够脱开。在该方式应用下，二期顶部水流向位移距离为10.3mm，这意味着单纯增加接缝面摩擦力难以显著增强混凝土的整体性；第三种是在两期接缝面中间植筋，与第二种相比，二期水流向位移距离显著降低，顶部移动距离为2.5mm，与第二种相比较低，但超过第一种；第四种是对两期接缝面优化处理，单纯在接缝面上涂抹泥浆，顶部水流向位移最高为2.4mm，与第三种相比较低，意味着两期接缝面的优化成效超过单纯植筋。

5 结束语

综上所述，在水电站混凝土施工期间，应严格把控模板规划设计、钢筋加工安装、分层施工、浇筑、振捣与养护等各个方面，使混凝土浇筑质量得以保障，整体性得到增强。通过二期混凝土嵌入一期，并植入钢筋等方式，充分发挥一期混凝土承载力，整体工程更加稳固牢靠，为后续工作打下坚实基础。