錦屏二級(jí)水電站水輪機(jī)組蝸殼外包混凝土澆筑階段變形特征分析

李天述

摘 要：錦屏二級(jí)水電站水輪機(jī)組蝸殼采用金屬蝸殼，金屬蝸殼焊裝完成后在其外部進(jìn)行二期鋼筋混凝土澆筑，使其與外包二期鋼筋混凝土結(jié)為一體。本文通過錦屏二級(jí)水電站1號(hào)機(jī)組蝸殼充水保壓澆筑階段內(nèi)水壓力由2.6MPa卸壓至0MPa過程中，蝸殼鋼板應(yīng)力、間隙開合度、外圍鋼筋混凝土應(yīng)力應(yīng)變的變化情況，分析蝸殼的變形特征。監(jiān)測(cè)成果表明，蝸殼內(nèi)水壓力卸除后，蝸殼表現(xiàn)的變形特征符合常規(guī)變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；蝸殼；變形特征分析

0 前言

水輪機(jī)組蝸殼及外包二期鋼筋混凝土在機(jī)組運(yùn)行時(shí)共同承擔(dān)高速旋轉(zhuǎn)水流產(chǎn)生的作用力。充水保壓澆筑蝸殼外包二期混凝土的過程，從理論上講是把金屬蝸殼假設(shè)成一個(gè)密封的壓力容器，人工模擬蝸殼在運(yùn)行水頭作用下，利用金屬蝸殼的溫度變形和保壓水頭的膨脹作用，充水加壓使蝸殼預(yù)先膨脹，維持一定內(nèi)水壓力澆筑外包混凝土，待全部澆筑完后放水卸壓。卸壓后蝸殼收縮，與混凝土之間將產(chǎn)生一定的間隙，此間隙即為蝸殼在運(yùn)行水頭作用下膨脹所需間隙。間隙開度大小與保壓水頭有關(guān)。

1 概況

蝸殼是錦屏二級(jí)水電站水輪機(jī)組的大型過流和重要隱蔽部件，設(shè)計(jì)采用鋼板型號(hào)B610CF型鋼材，抗拉強(qiáng)度610MPa，彈性模量為210GPa。混凝土澆筑采用充水保壓保溫方式，要求蝸殼內(nèi)水壓力為2.6MPa，水溫為20℃～25℃。蝸殼內(nèi)充水保壓系統(tǒng)主要由加壓水泵及其控制裝置、蝸殼進(jìn)口悶頭、座環(huán)密封環(huán)等組成。蝸殼在外包二期鋼筋混凝土澆筑前進(jìn)行蝸殼水壓試驗(yàn)以檢驗(yàn)蝸殼、座環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量，澆筑過程中對(duì)蝸殼進(jìn)行充水保壓，澆筑完成后排水卸壓。

2 蝸殼監(jiān)測(cè)儀器布置

錦屏二級(jí)水電站1號(hào)水輪機(jī)組蝸殼監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括蝸殼鋼板應(yīng)力、間隙開合度、外圍鋼筋混凝土應(yīng)力應(yīng)變。共布置4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面布置3支鋼板應(yīng)力計(jì)、3支鋼管縫隙計(jì)、6支鋼筋計(jì)、2組五向應(yīng)變計(jì)組，布置部位分別在蝸殼頂部、腰部和底部。

3 蝸殼外包混凝土澆筑階段監(jiān)測(cè)成果分析

3.1 鋼板應(yīng)力

1號(hào)機(jī)組蝸殼安裝鋼板應(yīng)力計(jì)12支。蝸殼排水卸壓前，在2.6MPa內(nèi)水壓力作用下，蝸殼鋼管膨脹，整體呈受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力為106.89MPa；蝸殼排水卸壓至0MPa后，蝸殼鋼管回縮，腰部與頂部鋼板應(yīng)力衰減相對(duì)明顯，最大變化量為-191.52MPa，鋼管整體呈受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為174.51MPa。蝸殼底部的鋼板應(yīng)力值卸壓前后較小，其變化也較小。

3.2 鋼管與外包混凝土的縫隙開合度

1號(hào)機(jī)組蝸殼安裝鋼管縫隙計(jì)12支。蝸殼排水卸壓前，在2.6MPa內(nèi)水壓力作用下，鋼管與外包混凝土接觸緊密，最大開合度為0.12mm；蝸殼排水卸壓至0MPa后，蝸殼鋼管回縮，腰部與頂部的縫隙張開相對(duì)明顯，最大變化量為1.19mm，最大開合度為1.31mm。蝸殼底部的縫隙值卸壓前后較小，其變化也較小。

1號(hào)機(jī)組蝸殼內(nèi)水壓力由2.6MPa卸壓至0MPa過程中，蝸殼鋼板應(yīng)力與開合度測(cè)值斷面分布見圖1～圖4。

3.3 鋼筋應(yīng)力

1號(hào)機(jī)組蝸殼安裝鋼筋計(jì)24支。蝸殼排水卸壓前，在2.6MPa內(nèi)水壓力作用下，鋼筋實(shí)測(cè)應(yīng)力介于-2.23～136.72MPa，基本處于受拉狀態(tài)，大部分測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力在25MPa左右；蝸殼排水卸壓至0MPa后，內(nèi)水壓力解除，實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)力普遍減小，大部分測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力降低10MPa左右。

3.4混凝土應(yīng)變

1號(hào)機(jī)組蝸殼共埋設(shè)了8組五向應(yīng)變計(jì)組（含8支無應(yīng)力計(jì)），其中，4組埋設(shè)于蝸殼腰部，4組埋設(shè)于蝸殼底部。蝸殼排水卸壓前，在2.6MPa內(nèi)水壓力作用下，混凝土實(shí)測(cè)應(yīng)變介于-381.66～287.84με，大部分測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變?cè)?150με左右，基本處于受壓狀態(tài)；蝸殼排水卸壓至0MPa后，內(nèi)水壓力解除，混凝土的實(shí)測(cè)應(yīng)變量基本無變化。

4 結(jié)論

（1）1號(hào)水輪機(jī)組蝸殼在外包鋼筋混凝土澆筑施工期間，在2.6MPa內(nèi)水壓力作用下，鋼管與混凝土接觸緊密，實(shí)測(cè)最大開合度為0.12mm；蝸殼鋼管膨脹，鋼板應(yīng)力整體呈受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力為106.89MPa；外包鋼筋混凝土中的鋼筋應(yīng)力基本處于受拉狀態(tài)，大部分測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力在25MPa左右；混凝土基本處于受壓狀態(tài)，實(shí)測(cè)應(yīng)變?cè)?150με左右。

（2）1號(hào)水輪機(jī)組蝸殼外包鋼筋混凝土澆筑完成后排水卸壓，內(nèi)水壓力由2.6MPa卸壓至0MPa后，蝸殼鋼管回縮，蝸殼頂部及腰部與混凝土接觸縫開合度略有增長(zhǎng)，較卸壓前開合度最大變化量為1.19mm，實(shí)測(cè)最大開合度為1.31mm；蝸殼腰部與頂部鋼板應(yīng)力衰減相對(duì)明顯，較卸壓前最大變化量為-191.52MPa，鋼管整體由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為174.51MPa；外包鋼筋混凝土中的鋼筋應(yīng)力普遍減小，大部分測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力降低10MPa左右；混凝土的實(shí)測(cè)應(yīng)變量基本無變化。

（3）蝸殼內(nèi)水壓力卸除后，蝸殼膨脹狀態(tài)解除，蝸殼頂部及腰部與混凝土接觸面略微張開，鋼管整體由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài)，外包鋼筋混凝土中的鋼筋應(yīng)力普遍略微減小，而混凝土的實(shí)測(cè)應(yīng)變量變化很小，蝸殼底部的鋼板應(yīng)力值和縫隙開合度始終較小，基本無變化，蝸殼變形特征基本符合常規(guī)變化規(guī)律。