水电厂蜗壳裂缝分析与治理

电力18讯：    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。


    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19.30℃,月平均气温9℃以上。水库总库容1.54×10.8m3，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ZZF01-LH-800，最大工作水头24 m，水轮机与容量为75 MW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=76.5 m2，进口处平均流速Vcp=3.431m／s，流速系数α=0.82，蜗壳混凝土强度按照能够承受30 m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
2.1 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Algor 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。



2.2 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24 kN／m3，弹模取26GPa，泊松比为0.167，混凝土的热膨胀系数取1×10-5K-1。



2.3 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13.5℃（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18.5℃（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。
2.4 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1.3 MPa，考虑温度荷载后的最大主拉应力显著增大，最大达2.7 MPa。若再<