燈泡貫流式機組流道混凝土分期施工與承載特性研究

楊興階 李明偉 譚靚 湖北水總水利水電建設股份有限公司

1 前言

燈泡貫流式水電站中水輪機機組利用臥式布置，出水方向為軸向貫通，流道形狀較為簡單，施工較為便捷。但受施工工藝、機組分期安裝等因素影響，廠房流道混凝土多采用分期澆筑方式施工。以往對兩期混凝土面黏結質量關注度不足，接縫面經常出現開裂、剝離等情況，致使結構無法正常使用。對此，應深入探究新老混凝土接縫面的應力分布特點，對其承載特性開展研究，并采取科學的施工方案提高工程效果。

2 工程概況

碾盤山水利水電樞紐工程位于漢江中下游干流，上距建設中的雅口航運樞紐58km、丹江口水利樞紐壩址261km，下距鐘祥市區10km，是漢江中下游規劃開發梯級中的倒數第二級。該工程水庫正常蓄水位50.72m，對應庫容8.77億立方米，死水位50.32m，混凝土連接壩最大壩高25.80m，具有日調節性能，河床徑流式電站總裝機180MW。本工程為Ⅱ等工程，航道渠化后，通航等級由Ⅳ級提高到Ⅲ級標準，船閘設計標準為1000噸級。本電站為河床式廠房，廠房布置在混凝土連接壩段與泄水閘之間，共安裝6臺SFWG30-88/8300轉輪直徑7.50m的燈泡貫流式發電機組，機組安裝高程為31.50m，單機容量30MW。

3 混凝土施工技術

3.1 模板規劃設計

在管形座上游和進水口中間的結構較為奇特，是由方變圓的漸變形構成，下游為垂直面。對上游漸變段利用異型模板設計與拼裝，兩端和頂部均利用滿堂鋼管排架支撐，下游面利用組合鋼模板。模板利用鋼管支撐，全部拉緊和支撐架都不可焊接在周圍管形座上，而是要錨固到混凝土內的預埋鋼筋骨架中，以免在澆筑、振搗期間使已經安裝完畢的管形座變形。在立模完畢后，檢查好結構尺寸，保證立模垂直度、平整度、縫隙等均可滿足質量標準。模板材料應選擇優質的鋼材、鋼混等材料，木材質量應超過Ⅲ等以上，腐朽嚴重的木材禁止使用。鋼模板厚度應超過3mm，鋼板面應光滑，禁止存在凹陷、褶皺等質量問題，擁有足夠的剛度和承載能力。模板制作應根據施工圖紙要求，在模板安裝前進行測量放樣，允許偏差和密度均要滿足相關規定，即平面誤差不可大于5mm，個別不可大于1cm，盡可能地精確調整，為施工期間模板位移和變形預留寬容度。在模板安裝中，應設置臨時固定設施，避免變形和傾覆；安裝好的模板應有充足的新澆混凝土自重與側壓力。在模板工序完成后，由承包方自行檢驗，再由監理工程師進行質量驗收[1]。

3.2 鋼筋加工安裝

在鋼筋材料加工中，因構件存在差異，加工需求也不盡相同。在正式加工前需分析圖紙內容，掌握不同構件的加工需求，保障生產的鋼筋構件能夠順利投入使用，避免材料浪費。在鋼筋綁扎期間，應根據設計圖紙放樣，施工前試制對應編號的待用鋼筋，嚴格把控施工工序，在確保試件符合需求后再正式生產。該項目二期混凝土鋼筋包裹在管形座外圈，采用兩層環向鋼筋網進行包裹，上游漸變段環向鋼筋每根的尺寸、形狀均不盡相同。在鋼筋加工期間，應根據管形座的外圈形狀進行計算，在條件允許情況下，還可繪制三維圖檢驗鋼筋尺寸，保障加工數據準確可靠。

在鋼筋材料搬運中，還要注意周圍是否有障礙物，小心規避電氣設備、電線等，避免出現觸電事故。在鋼筋起吊時，應保證規格統一，長短不同的材料，不可一次性起吊，應分類后進行起吊。在安裝前應當進行試焊，當試件各項數據滿足需求后才可開展焊接工作，還要處理好鋼筋接頭位置，將成品整齊堆放，保障物料安全。為了減少焊接接頭，環向鋼筋應將上下兩段分開加工，堅持先下后上原則，在所有鋼筋都澆筑完畢后進行安裝，便于混凝土順利入倉。

3.3 分層施工

因二期混凝土施工工期有限，支撐件數量較多，對變形控制要求較高，且腹部振搗密實度難以保障；結合現實情況，經過參建主體各方研究，決定采用分層施工法開展澆筑。按照設計圖上的要求，將二期混凝土澆筑分成兩個部分，即先澆塊、后澆塊。在先澆塊施工完畢后安裝管形座，在基礎板下的定位螺栓孔灌注一級配微膨脹混凝土，最后根據施工順序進行混凝土澆筑。因管形座屬于特殊位置，為了避免座體下方特定范圍內澆筑期間產生上浮力導致變形，二期管形座下澆筑層厚度應控制得當，如若超過混凝土的上浮力范圍，可逐漸增加厚度。該項目管形座中軸線下方混凝土的分層厚度控制在1.5m以內，上方分層厚度不超過2.0m，共計分成15個澆筑層，實施分層澆筑施工。

3.4 澆筑、振搗與養護

在混凝土配合比設計中，該水電站采用P·O42.5水泥，粉煤灰為Ⅱ級，加強混凝土溫度控制，采用低坍落度的混凝土，管形座二期采用C30二級配常態混凝土，坍落度在140cm～160cm之間，腹部以下利用高流態一級配C30混凝土，坍落度在160mm～180mm之間，減少水泥用量，以免產生過多的水化熱。（1）澆筑。在正式澆筑前，先要準備好攪拌機、布料機、吊罐、振搗棒等設備，所有機具在施工之前檢查完好，并考慮到故障時修理時間，配備專職人員隨時檢修；管形座安裝后內部臨時支撐保留，外部為永久支撐，且在管座底部下半圓布設直徑為100mm的孔，不但便于底部澆筑時空氣排出，還適用于后期接觸灌漿。在澆筑前做好上述孔洞的清理與保護，在振搗密實后將孔內混凝土刮平，再設置灌漿管，用于后續接觸灌漿?；炷猎诎韬驼景柚仆戤?，再由攪拌車運輸到指定地點，常態混凝土利用塔機配立罐入倉，泵送混凝土利用混凝土泵入倉。在澆筑過程中，澆筑順序為先下游、后上游，通常薄層水平澆筑，兩端對稱下料，下料期間禁止沖擊管形座、支撐件等，兩端高差應低于30cm，鋪料層厚度在50cm以內，澆筑速度控制在30cm/h以內，液態混凝土高度應控制在60cm以內，兩端分層對稱振搗，不可出現過振、漏振等情況，也不可接觸到支撐、預埋件等。嚴格控制混凝土的密實性、均勻性，一旦發現拌合物均勻性出現異常，應及時處理。將拌合物運送到澆筑地點后，檢驗其稠度，應與施工要求相符，出現混凝土離析、分層現象時，需要對其進行二次攪拌，將拌合物運送到澆筑地點時的溫度，最高不要超過35℃，最低不應小于5℃，澆筑季節宜在低溫季節進行，夏季高溫時段要做好降溫措施。（2）振搗。振搗時間以混凝土表面無氣泡、沒有明顯下沉、開始泛漿為準，插入點整齊，間距為振搗器半徑的1.5倍，插入下層混凝土中深度為5cm～10cm之間；振搗一次性完成，插入方向和角度相同，避免漏振；振搗棒應盡可能垂直插入混凝土中，堅持快插慢拔原則，振搗中泌水應及時刮除，不再模板上開洞引水自流；振搗器與模板垂直距離應超過振搗器半徑的1/2。對底部兩側混凝土振搗完畢后，待側壁前混凝土初凝，將混凝土緊貼管壁堆高20cm～30cm，形成反坡面，確保下層澆筑時能夠完美結合，以免在管壁側面出現銳角，難以實現堆筑與振搗。（3）養護。在澆筑完畢后，初凝過程應采用表面沖毛作業，要沖到表面無乳皮的程度，且骨料微露，再用低壓力水進行養護。由專人負責進行養護，24h不間斷，養護要求表面保持濕潤，不能時干時濕。該項目采用電熱法進行混凝土養護，保證混凝土溫度均勻，加熱時間設定應保證混凝土強度達到設計強度的50%，并滿足以下要求。一是在加熱時混凝土外露面應全部覆蓋；二是采用交流電，對于鋼混結構，應將電壓降低到50V～110V之間；三是混凝土最高溫度不應超過規定要求，進而設置自動控溫裝置、用電安全保險裝置等，在加熱期間，密切觀察混凝土表面濕度，一旦出現干燥情況應立即停電，并用溫水將表面潤濕。

4 混凝土施工承載特性研究

4.1 接觸理論與剪切強度

在常規施工環境下，一、二期混凝土接縫位置在未受力情況下黏結，當荷載開始逐漸提升，接縫面開始滑移甚至開裂。在上述狀態變化期間，接縫面抗力從黏結力變成摩擦力，產生接觸非線性問題。采用ABAQUS中的接觸模塊，在模型內設置等效剪應力進行模擬，當接縫面剪應力最大值超過設定值時，結構便開始滑動。通過Rand1研究結果可知，新老混凝土接縫面的抗剪力可用公式表示如下。

式中，V1代表的是黏結力；Vm代表的是抗剪摩擦力；Vd代表的是鋼筋消栓作用力；ξ1代表的是粗糙度影響系數，取值為0.048；ξ2代表的是界面劑影響系數，取值為1.8；Ac代表的是接縫面積；p代表的是植筋率；μ代表的是摩擦系數；β代表的是抗剪力系數；Fy代表的是鋼筋屈服強度[2]。

4.2 計算模型

該水電站的構成要素較多，包括泄水建筑物、廠房、泄洪壩段等，廠房布置在混凝土連接壩段與泄水閘之間，共安裝6臺SFWG30-88/8300轉輪直徑7.50m的燈泡貫流式發電機組，機組安裝高程為31.50m，單機容量30MW。每個機組段朝著縱軸線方向寬度為15.2m，廠房地基與進水口間的距離為40.0m。因廠房基巖會干擾到整體結構，可在建基面下方相距120m的位置朝著上下游分別延伸120m。模型采用笛卡爾直角坐標，橫軸為下游方向；縱軸為左岸，Z軸為鉛直向上，在機組安裝高程和2號機組軸線相交位置設置原點。利用ABAQUS內的三維單元，將B31梁單元鋼筋在EMBEDDED指令下埋入實體單元內。該項目做出以下假定：一是在機組段之間設置永久分封，各段獨立承載，可對某個段進行單獨分析；二是混凝土、鋼筋屬于線彈性材料，在植入后不拔出；三是忽視溫度產生的影響。

4.3 計算方法

在常規工況下，施加荷載由設備自重、流道內水壓、樓面荷載以及上下游面水壓力構成，其中上游正常蓄水位為50.72m，下游設計洪水位為48.52m。該項目中兩期混凝土強度等級均為C30，板梁柱結構所用混凝土強度為C30，對比一、二期接縫面位置、處理方式產生的影響，共計制定四種計算方案，具體如下。第一種：混凝土整體澆筑，沒有接縫面，與其他方案進行對比；第二種：采用分期施工，接縫面涂刷水泥凈漿，粗糙度影響系數為0.070、界面劑影響系數為1.5；第三種：采用分期施工，接縫面不但涂刷水泥凈漿，還植入鋼筋，粗糙度影響系數為0.070、界面劑影響系數為1.5，植筋率為0.2，探究植筋對一期、二期混凝土整體性的強化效果；第四種：采用分期施工，優化接縫位置，涂抹水泥凈漿，粗糙度影響系數為0.070、界面劑影響系數為1.5；將二期混凝土嵌入到一期中，只在接縫位置涂抹凈漿，探究一、二期接縫面位置對整體性產生的影響。

4.4 有限元分析

按照計算結果，對四種計算方式下的接縫面接觸狀態、應力分布、水流位移距離等進行有限元分析，結果如下。

（1）接觸狀態分析。根據兩期接觸面的不同處理方法，在四種計算方式下開展接觸狀態分析，具體如下。第一種，采用整體澆筑的方式，混凝土整體受力，不會出現接縫面；第二種，只涂抹水泥凈漿，大多數接縫面為張開狀態，腰部滑動，只有底部閉合，兩期混凝土中間滑動顯著，為整體受力帶來阻礙；第三種，在接縫面植筋，使閉合范圍增加，但仍存在張開的區域；第四種，兩期接縫面位置進行優化，閉合范圍增加，但腰部接縫位置閉合范圍有所降低。綜合分析上述接觸狀態，與前兩種相比，后兩種的應用可使兩期混凝土整體性顯著增強。（2）應力分布分析。在常規荷載作用下，二期混凝土在不同計算方式下水流向應力不盡相同，結合應力等值線圖，可得出應力分布情況如下。第一種方式的混凝土整體性最佳，拉應力與分布范圍均較小，在立柱孔上游出現局部拉應力集中情況，且流道周圍水流向拉應力的最大值為0.395MPa；第二種因兩期混凝土間產生了滑移，接縫面只有很小面積為接觸狀態，難以發揮出一期混凝土承載力，致使二期拉應力增加，達到3.851MPa，開裂面積增加，與結構設計標準不符；第三種是在兩期接縫面植筋，使混凝土整體性進一步增強，一期聯合承載作用全部發揮出來，二期拉應力與第二種相比有所降低，最大值為1.524MPa；第四種是對兩期接縫面位置優化處理，一期能夠產生更多抗力，為二期拉應力降低提供諸多助力，拉應力最大值降為1.264MPa，與第三種相比收效更佳。（3）位移距離分析。在常規工況下，二期混凝土受流道內水壓影響向下游變形，結合位移等值線圖，可得出位移距離信息。第一種計算方式為整體澆筑，受上游水壓力影響，位移距離較小，在1.24mm～1.86mm范圍內，頂部位移小于1.95mm；第二種是在兩期混凝土間涂抹水泥凈漿，單純依靠摩擦力增加抗滑能力，使二期混凝土能夠受荷載影響，增加水流向位移，使移動距離超過第一種，上游整體接觸面基本能夠脫開。在該方式應用下，二期頂部水流向位移距離為10.3mm，這意味著單純增加接縫面摩擦力難以顯著增強混凝土的整體性；第三種是在兩期接縫面中間植筋，與第二種相比，二期水流向位移距離顯著降低，頂部移動距離為2.5mm，與第二種相比較低，但超過第一種；第四種是對兩期接縫面優化處理，單純在接縫面上涂抹泥漿，頂部水流向位移最高為2.4mm，與第三種相比較低，意味著兩期接縫面的優化成效超過單純植筋。

5 結束語

綜上所述，在水電站混凝土施工期間，應嚴格把控模板規劃設計、鋼筋加工安裝、分層施工、澆筑、振搗與養護等各個方面，使混凝土澆筑質量得以保障，整體性得到增強。通過二期混凝土嵌入一期，并植入鋼筋等方式，充分發揮一期混凝土承載力，整體工程更加穩固牢靠，為后續工作打下堅實基礎。