高混凝土壩蝸殼及軟墊層互饋機(jī)理探究

姚 遠(yuǎn)

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長沙410014）

軟墊層材料作為介于蝸殼與外包混凝土之間的傳力材料,起著調(diào)節(jié)蝸殼和外包鋼筋混凝土分擔(dān)內(nèi)水壓力比例、減少蝸殼振動(dòng)向外傳遞的作用［1］。統(tǒng)計(jì)已建的采用墊層方案的水電站工程發(fā)現(xiàn),所采用墊層材料的材質(zhì)、品種較多,諸如聚氨酯軟木、高壓聚乙烯閉孔泡沫板、聚苯乙烯泡沫板、聚乙烯泡沫板、軟木、羊毛織物、油氈等。由于墊層材料的物理力學(xué)性能及其穩(wěn)定性直接影響傳力效應(yīng)及機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性,因此關(guān)于墊層特性機(jī)理分析顯得尤為重要。

1 墊層材料選擇

統(tǒng)計(jì)國內(nèi)已建主要大中型水電站墊層材料的應(yīng)用情況發(fā)現(xiàn),目前大中型水電站蝸殼外包軟墊層采用的材料主要為聚氨酯軟木和高壓聚乙烯閉孔泡沫板兩類［2-4］。其中三峽水電站、向家壩水電站和龍灘水電站采用高壓聚乙烯閉孔泡沫板,黃河干流各主要水電站及彭水水電站采用聚氨酯軟木,見表1。另外,《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 35056—2015)中第4.2.3節(jié)規(guī)定：鋼管外包墊層材料可選用聚氨脂軟木、聚苯乙烯泡沫板、聚乙烯塑料板等,墊層材料穩(wěn)定變形模量適宜的范圍為0.5～5.0 N/mm2,墊層厚度常用范圍為4～50 mm,墊層材料應(yīng)具有材料穩(wěn)定性、設(shè)計(jì)要求的物理力學(xué)特性、耐久性、防腐性、可粘貼性以及經(jīng)濟(jì)性等,材料特性均應(yīng)經(jīng)過材料試驗(yàn),必要時(shí)進(jìn)行模型試驗(yàn)。

在墊層材料的選擇方面,除了要滿足安裝初期的物理力學(xué)性能指標(biāo)外,墊層材料的抗老化、耐腐蝕、小塑性變形以及施工期的阻燃性、便捷性也是選擇的重要標(biāo)準(zhǔn)［5］。對墊層的受力特性分析表明,墊層材料應(yīng)具有較好的壓縮回彈性和耐久性,在頻繁的加、卸循環(huán)荷載工況下,其材料力學(xué)性能和理化特性應(yīng)保持穩(wěn)定。同時(shí),由于墊層材料埋設(shè)后具有無法檢修和更換的特性,因此墊層材料的力學(xué)性能在設(shè)計(jì)年限內(nèi)需保持足夠的穩(wěn)定性。相對其他墊層材料來說,聚氨酯軟木和高壓聚乙烯閉孔泡沫板具有復(fù)原率高的特點(diǎn),在無吸水性、耐氣候性、耐化學(xué)藥品性、耐老化性、環(huán)保性等方面也優(yōu)于其他材料［6-8］。

表1 國內(nèi)已建水電站蝸殼及對應(yīng)的墊層材料統(tǒng)計(jì)

高壓聚乙烯閉孔泡沫板復(fù)原率高,無吸水性、耐水沖擊性、耐氣候性、耐化學(xué)藥品性、耐老化性是其他材料沒有的,而且耐老化性是可以通過添加抗老化劑得到大大提高的。但高壓聚乙烯閉孔泡沫板仍屬非線性高分子聚合材料,它在受到壓縮荷載作用過程中,應(yīng)力與應(yīng)變的相關(guān)曲線上每點(diǎn)的切線斜率均會(huì)發(fā)生改變,其彈性模量是個(gè)變數(shù)。由于蝸殼內(nèi)水壓力是變化的,尤其是在機(jī)組檢修放空后再充水發(fā)電的反復(fù)加載,因此要求墊層材料具有很好的復(fù)原性。根據(jù)墊層材料生產(chǎn)廠商提供的資料,該材料在25%壓縮變形時(shí)的復(fù)原率可達(dá)97.3%,但存在一定的永久變形,且在反復(fù)加載過程中逐漸積累,有一定的不可恢復(fù)量,機(jī)組在運(yùn)行中反復(fù)加載若干年后再檢修時(shí),蝸殼與墊層間的間隙會(huì)逐漸加大。

聚氨酯軟木主要構(gòu)成物質(zhì)為栓皮櫟樹的外皮,質(zhì)地柔軟富有彈性,其化學(xué)組成為木栓素,無毒無味、無營養(yǎng)物質(zhì),自然條件下性狀穩(wěn)定,為可再生及綜合利用的綠色環(huán)保資源。聚氨酯軟木以篩選后的軟木顆粒為骨料,與特殊配方的彈性體聚氨酯膠混合,在一定的壓力和溫度下固化成形,其密度和力學(xué)性能可通過調(diào)整原料的配比改變。聚氨酯軟木作為水電站蝸殼墊層材料最早應(yīng)用于龍羊峽水電站工程機(jī)組,已安全運(yùn)行約20 a,現(xiàn)在已在眾多大中型水電站中應(yīng)用,其主要特點(diǎn)是具有較好的物理穩(wěn)定性和抗壓縮變形力學(xué)性能,同時(shí)具有良好的阻燃性,可以較好地適應(yīng)施工現(xiàn)場環(huán)境和防止焊渣燙燒,施工便捷。在性價(jià)比方面,與其他墊層材料相比也具有一定的優(yōu)勢。經(jīng)綜合比較,聚氨酯軟木具有較穩(wěn)定的彈性模量、良好的阻燃性和耐久性,循環(huán)加、卸荷載條件下殘余應(yīng)變小。根據(jù)有關(guān)資料,聚氨酯軟木應(yīng)力與彈性模量的關(guān)系見表2,聚氨酯軟木墊層材料物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表2 聚氨酯軟木應(yīng)力與彈性模量的關(guān)系 MPa

表3 聚氨酯軟木墊層材料物理力學(xué)參數(shù)

2 軟墊層特性分析

2.1 軟墊層材料特性分析

參考其他工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),高壓聚乙烯閉孔泡沫板和聚氨酯軟木均可作為蝸殼外軟墊層材料,但高壓聚乙烯閉孔泡沫板應(yīng)用相對比較廣泛,三峽、龍灘等大型工程均采用高壓聚乙烯閉孔泡沫板作為蝸殼外軟墊層材料?？紤]到向家壩右岸地下廠房和左岸壩后廠房均選用高壓聚乙烯閉孔泡沫板作為蝸殼外軟墊層材料,為保持同一工程的一致性,向家壩水電站擴(kuò)機(jī)工程推薦采用高壓聚乙烯閉孔泡沫板作為軟墊層材料［9-10］。同時(shí)參考三峽工程經(jīng)驗(yàn),要求墊層材料在產(chǎn)生50%的壓縮變形后仍能有近90%的復(fù)原率,以此作為墊層材料的重要指標(biāo)。

墊層材料厚度為30±0.2 mm,當(dāng)在鋼蝸殼曲率半徑較小范圍粘貼有困難時(shí),允許將30 mm厚度分成兩層（即每層15 mm)進(jìn)行［11］。成品墊層必須為齊邊整尺產(chǎn)品,上下表面不得有裂紋、褶皺及刀痕等缺陷。向家壩水電站擴(kuò)機(jī)工程廠房內(nèi)蝸殼軟墊層所采用的高壓聚乙烯閉孔泡沫板質(zhì)量要求見表4。

表4 高壓聚乙烯閉孔泡沫板質(zhì)量要求

軟墊層敷設(shè)前,先將敷設(shè)墊層部位的鋼管清理干凈（無銹、無灰塵、干燥),均勻涂抹氯丁膠。為防止較多水體進(jìn)入軟墊層內(nèi)部使墊層外傳內(nèi)水壓力比例明顯增加,減少軟墊層與混凝土之間的摩擦力,要求對墊層材料的表面封閉,即安裝好的墊層材料在結(jié)合面進(jìn)行砂光,表面噴涂聚氨酯類防水材料,厚度不小于0.15 mm。

三峽水電站軟墊層最大壓縮變形值為8.0 mm,相對于30 mm厚軟墊層的變形率為0.267,墊層材料所受的最大壓力約為0.70 MPa；向家壩左岸壩后廠房蝸殼軟墊層最大壓縮變形值為5.3 mm（軟墊層彈性模量2.5 MPa),相對于30 mm厚軟墊層的變形率為0.177,推算墊層材料所受的最大壓力約為0.44 MPa；向家壩右岸地下廠房蝸殼軟墊層最大壓縮變形值為5.4 mm（軟墊層彈性模量2.5 MPa),相對于30 mm厚軟墊層的變形率為0.180,推算墊層材料所受的最大壓力約為0.45 MPa。

在軟墊層彈性模量為1.0 MPa時(shí),向家壩擴(kuò)機(jī)工程廠房軟墊層最大壓縮變形值為3.8 mm,相對于30 mm厚軟墊層的變形率為0.127,推算墊層材料所受的最大壓力約為0.33 MPa；在軟墊層彈性模量為3.0 MPa時(shí),向家壩擴(kuò)機(jī)工程廠房軟墊層最大壓縮變形值為4.0 mm,相對于30 mm厚軟墊層的變形率為0.133,推算墊層材料所受的最大壓力約為0.35 MPa。向家壩擴(kuò)機(jī)工程廠房軟墊層變形率和所受的最大壓力均小于三峽電站、向家壩左岸壩后廠房和右岸地下廠房的,墊層參數(shù)選擇合適。

2.2 軟墊層物理尺寸特性分析

向家壩擴(kuò)機(jī)工程廠房蝸殼外軟墊層環(huán)向布置在蝸殼上半周,軟墊層里側(cè)末端距機(jī)坑里襯距離2.5 m,外側(cè)至蝸殼腰線以下1.0 m。根據(jù)三維有限元計(jì)算成果和工程經(jīng)驗(yàn)［12-13］,蝸殼外軟墊層末端處混凝土有應(yīng)力集中現(xiàn)象,為減小混凝土應(yīng)力集中,在蝸殼末端和槽鋼末端1.0 m范圍內(nèi)設(shè)置軟墊層過渡區(qū),過渡區(qū)內(nèi)軟墊層厚度由30 mm漸變到10 mm,軟墊層環(huán)向布置如圖1所示。軟墊層平面布置范圍：從蝸殼進(jìn)口斷面（包括部分引水直鋼管)開始,至+Y軸,平面范圍內(nèi)角度為270°,軟墊層平面布置圖如圖2所示。對軟墊層平面布置范圍分別為 90°、135°、180°、225°、270°進(jìn)行了研究分析和方案比較,優(yōu)選布置范圍。

圖1 軟墊層環(huán)向布置

圖2 軟墊層平面布置

蝸殼外軟墊層最主要參數(shù)包括厚度和彈性模量。由于向家壩擴(kuò)機(jī)工程廠房蝸殼HD值比三峽水電站、龍灘水電站、向家壩左岸壩后廠房和右岸地下廠房、溪洛渡地下廠房蝸殼HD值小,因此參考三峽、向家壩左右岸電站和龍灘工程經(jīng)驗(yàn),初步確定向家壩擴(kuò)機(jī)工程廠房蝸殼軟墊層厚度為3.0 mm,彈性模量為2.5 MPa。

3 蝸殼結(jié)構(gòu)三維線彈性計(jì)算

3.1 基本參量設(shè)定

計(jì)算采用墊層方案的相關(guān)參數(shù)為：墊層厚度取30 mm,子午斷面內(nèi)墊層下末端敷設(shè)至腰線,墊層上末端距機(jī)坑里襯距離2.5 m,直管段上半周180°范圍全部設(shè)墊層；墊層平面敷設(shè)范圍從直管段開始,包角分別為180°、270°時(shí),墊層彈性模量分別取 1.0、3.0 MPa。 本文對正常工況、半數(shù)磁極短路、短路三種組合甩負(fù)荷工況進(jìn)行三維有限元計(jì)算,計(jì)算荷載如下：①混凝土、鋼板、座環(huán)和固定導(dǎo)葉的自重；②蝸殼內(nèi)水壓力（包括水擊壓力)為1.55 MPa；③發(fā)電機(jī)層樓面荷載0.10 MPa,母線層、水輪機(jī)層樓面荷載0.05 MPa。

蝸殼結(jié)構(gòu)尺寸初步設(shè)計(jì)參數(shù)為：+X軸蝸殼外緣尺寸為14 015 mm,外包混凝土厚度為3 175 mm；-Y軸蝸殼外緣尺寸為13 150 mm,外包混凝土厚度為3 950 mm；-X軸蝸殼外緣尺寸為11 465 mm,外包混凝土厚度為3 550 mm；+Y軸蝸殼外緣尺寸為9 210 mm,外包混凝土厚度為6 390 mm,蝸殼頂部最小混凝土厚度為3 053 mm。

3.2 模型構(gòu)建

模型單元分為鋼蝸殼、座環(huán)、墊層和混凝土3大組。鋼蝸殼、座環(huán)、機(jī)井里襯、尾水管里襯采用8節(jié)點(diǎn)平面板殼單元,個(gè)別過渡區(qū)域采用3節(jié)點(diǎn)板殼單元,墊層、加勁環(huán)和外圍混凝土采用4節(jié)點(diǎn)四面體二次型單元,蝸殼與墊層、混凝土接觸面設(shè)接觸面。

在計(jì)算范圍內(nèi),對水輪機(jī)鋼蝸殼、座環(huán)以及外圍混凝土均按實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬,模型所在機(jī)組段與相鄰機(jī)組段之間設(shè)有永久分縫,兩側(cè)混凝土邊界按自由面考慮,同時(shí)上下游混凝土邊界按自由面考慮。計(jì)算模型只在尾水管直錐段底部施加固結(jié)約束。

以墊層包角90°為例,整個(gè)計(jì)算模型共39 325個(gè)節(jié)點(diǎn),37 377個(gè)單元,其中：座環(huán)2 322個(gè)單元,鋼蝸殼7 744個(gè)單元,混凝土21 733個(gè)單元,墊層5 578個(gè)單元。鋼蝸殼、座環(huán)、墊層、整體模型網(wǎng)格、蝸殼斷面和混凝土特征點(diǎn)分別如圖3～圖8所示。

圖3 蝸殼網(wǎng)格

圖4 座環(huán)網(wǎng)格

圖5 蝸殼墊層網(wǎng)格

圖6 蝸殼整體模型網(wǎng)格

圖7 蝸殼斷面示意

圖8 混凝土特征點(diǎn)

3.3 成果分析

墊層包角270°、墊層彈性模量取1.0 MPa時(shí),蝸殼外圍混凝土拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和標(biāo)準(zhǔn)值的范圍如圖9～圖10所示。

圖9 軟墊層270°包角時(shí)正常工況上半部達(dá)到抗拉強(qiáng)度的區(qū)域（墊層彈性模量1.0 MPa）

圖10 軟墊層270°包角時(shí)正常工況下半部達(dá)到抗拉強(qiáng)度的區(qū)域（墊層彈性模量1.0 MPa）

墊層包角180°、墊層彈性模量取1.0 MPa和3.0 MPa時(shí),蝸殼外圍混凝土典型子午斷面水流方向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力如圖11～圖14所示,應(yīng)力單位為kPa。

圖11 彈性模量1.0 MPa時(shí)1、5斷面水流方向應(yīng)力云圖（正常工況）

圖12 彈性模量1.0 MPa時(shí)1、5斷面環(huán)向應(yīng)力云圖（正常工況）

圖13 彈性模量3.0 MPa時(shí)1、5斷面水流方向應(yīng)力云圖（正常工況）

圖14 彈性模量3.0 MPa時(shí)1、5斷面環(huán)向應(yīng)力云圖（正常工況）

墊層包角270°、墊層彈性模量取1.0 MPa和3.0 MPa時(shí),蝸殼外圍混凝土典型子午斷面水流方向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力如圖15～圖18所示,應(yīng)力單位為kPa。

圖15 彈性模量1.0 MPa時(shí)1、5斷面水流方向應(yīng)力云圖（正常工況）

圖16 彈性模量1.0 MPa時(shí)1、5斷環(huán)向應(yīng)力云圖（正常工況）

圖17 彈性模量3.0 MPa時(shí)1、5斷面水流方向應(yīng)力云圖（正常工況）

圖18 彈性模量3.0 MPa時(shí)1、5斷面環(huán)向應(yīng)力云圖（正常工況）

軟墊層彈性模量為1.0 MPa、2.5 MPa和3.0 MPa時(shí),蝸殼外混凝土應(yīng)力分布規(guī)律基本相同,數(shù)值略有差異。 彈性模量為1.0 MPa時(shí),在直管段（8＃～10＃),蝸殼頂部和腰部外圍混凝土較薄,混凝土的拉應(yīng)力較大,局部拉應(yīng)力超過了C25混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度（1.27 MPa),可能出現(xiàn)局部開裂,最大環(huán)向拉應(yīng)力為3.02 MPa,出現(xiàn)在 1＃和 9＃斷面腰部外緣。蝸殼彎管段（2?！?＃)上半周混凝土拉應(yīng)力基本小于混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度,僅僅5＃斷面腰部外緣出現(xiàn)1.45 MPa拉應(yīng)力,略大于混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度,沿徑向遠(yuǎn)離蝸殼混凝土拉應(yīng)力逐漸減小,但在+X、-X軸和蝸殼直管段腰部混凝土較薄的部分,混凝土外鼓變形,內(nèi)表面拉應(yīng)力較小,外表面拉應(yīng)力較大,而且環(huán)向應(yīng)力隨著蝸殼管徑變小、外圍混凝土變厚而逐步減小。由于蝸殼下半周沒有鋪設(shè)墊層,因此蝸殼底部混凝土出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力,最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在1＃斷面底部,為1.07 MPa。水流向應(yīng)力以受拉為主,腰線上、下截面上的拉應(yīng)力沿遠(yuǎn)離蝸殼的方向逐漸減小,并且應(yīng)力數(shù)值都不大,均在1.0 MPa以下。

當(dāng)墊層彈性模量取2.5 MPa和3.0 MPa,其應(yīng)力分布規(guī)律和墊層彈性模量取1.0 MPa相似,由于墊層彈性模量增大,導(dǎo)致蝸殼內(nèi)水壓力更多地傳給混凝土,因此蝸殼外圍混凝土的應(yīng)力略有增大,拉應(yīng)力增大5%～10%,開裂區(qū)也有所增大,混凝土第一主應(yīng)力超過設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度的范圍明顯沿水流方向向里側(cè)延伸。

4 結(jié) 語

根據(jù)以上分析,在選取不同墊層彈性模量的情況下,蝸殼的應(yīng)力分布規(guī)律基本相同。隨著墊層彈性模量的增大,蝸殼內(nèi)水壓力將更多地傳給蝸殼外圍混凝土,墊層彈性模量過大將導(dǎo)致外圍混凝土出現(xiàn)局部裂縫。墊層包角對蝸殼的應(yīng)力分布也有顯著的影響,包角越大,應(yīng)力越大。