河床式水电站混凝土蜗壳防渗措施研究

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发布时间：2022-02-21

资料介绍

: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。
关键词:混凝土蜗壳;非线性有限元;限裂;防渗措施;混凝土损伤
中图分类号:TV43 文献标志码:A 文章编号= 1001-5485 (2016) 12-0128-05
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