（水利工程专业论文）垫层钢管和垫层钢蜗壳研究以拉西瓦水电站工程为例.pdf

独创性申明 秉承祖囤优良道德传统和学校的严谨学风郑蕈中明：本人所呈交的学 位论文是我个人任导师指导下进行的研究工作及取得的成果。，尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地j ，外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对奉丈所论述的工作的任何贡献均已住论文中作了明确的 说明并已致谢 奉论文及其相关资料若有不实之处，山本人承担一切相关责任 论文作者签名：丛q 弛每一厂。月牙h 保护知识产权申明 本人完全r 解西安理工大学有关保护知识产权的规定即：研究生在 校攻读学位期问所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。， 本人保证：发表或使_ h 与奉论艾相关的成果时署名睁位仍然为西安理t 人 学，7 j 论何时何地，未经学校许町，决小转移或扩散与之丰h 关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论丈被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他于段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以i _ ：申明同样适用) 论文作者签名坦q h l 导师签名：巧舢卅年一月孑u 摘要 垫层钢管和垫层钢蜗壳研究 学科：水利工程答辩日期：2 0 0 4 年1 0 月 作者：邓双明作者签名： 导师：李怀恩教授导师签名： 摘要 在水电站压力引水钢管或钢蜗壳外表敷设软垫层材料以满足结构受力要求的工 程措施称之为垫层管或垫层蜗壳。早期人们认为设垫层后钢管就可承受全部内水压 力，管外砼结构不再分担内水压力；而不设垫层的砼内埋管将大部分内压传给砼结 构，钢板应力较小，没有发挥其强度作用。后来人们从设垫层的压力管道和蜗壳原 型观测结果中得到启发，认识到可以通过在管周布置软垫层来调节钢板与外围砼承 担内压的大小。但在以往的研究和工程实践中，不论是垫层钢管还是垫层蜗壳的研 究，一般都是先拟定垫层和结构参数，然后用有限元计算法计算，缺乏垫层参数对 结构受力状态及承担内水压力大小完整的规律性认识；没有提出实际工程所需要的 快速简洁的垫层管解析计算方法；对垫层材料缺乏系统研究。上世纪九十年代以后， 我国巨型水电站开始采用单机7 0 0 m w 水轮发电机组。蜗壳的结构采用充水保压或 钢蜗壳与外围砼结构完全联合承载的型式在世界上均成功采用，但这两种方式前者 有造价高、工期长，后者有钢筋用量大、砼质量不易保证和砼结构裂缝开腱宽度过 宽的缺点。垫层蜗壳结构在很大程度上可避免以上两种蜗壳结构的缺点，但其对机 组运行稳定性影响如何，是目前工程界争论最激烈的问题之一，以往的研究均未回 答此问题。 本文在综述世界垫层管( 蜗壳) 工程实践的基础上，结合拉西瓦水电站工程实 际，用有限元法和解析法系统研究了垫层及相应结构参数对钢板和外围混凝土承担 内水压力比例的调节规律以及结构的受力状态，进行了不同埋入方式下蜗壳结构对 机组运行的影响分析。研究结果归结为：提出一套垫层管( 蜗壳) 的计算解析公式； 证明垫层蜗壳在技术上可行、经济上合理的前提下，对机组运行稳定也是有保证的。 西安理工大学工程硕士学位论文 以上研究成果将以往垫层管( 蜗壳) 工程实际经验，提高到有统一的解析计算理论 上；垫层蜗壳动力计算结果得到了水轮机制造商、工程建设单位的认同，并同意采 用垫层蜗壳结构型式，这样拉西瓦水电站将成为目前世界上水头最高、单机容量最 大的采用垫层蜗壳的水电站 关键词：垫层压力钢管蜗壳 振动 s t u d yo nt h ew o r k i n g o fp e n s t o c ka n d s p i r a lc a s ew i t he l a s t i cl a y e r s p e c i a l t y ：w a t e rc o n s e r v a n c ye n g i n e e r i n g d a t e ：o c t 2 0 0 4 a u t h o r ：d e n gs h u a n g m i n gs i g n a t u r e a d v i s o r ：l ih u a i e n s i g n a t u r e a b s t r a c t t h ep e n s t o c ka n ds p i r a lc a s ew i t he l a s t i cl a y e ra r ed e f i n e da sae n g i n e e 6 n gm e a s u r e o fh a v i n gf l e x i b l el a y e rm a t e r i a ls u r r o u n d i n gi tt om e e tt h en e e d so fb e a r i n gl o a d si n s t r u c t u r e i ne a r l ys t a g e ，p e o p l et h i n kt h a tp e n s t o c ki t s e l fc a ns u s t a i nf u l li n n e rw a t e r p r e s s u r ea f t e rh a v i n ge l a s t i cl a y e rs u r r o u n d i n gi t ，w h i l et h ec o n c r e t es t r u c t u r ea r o u n d i n g i tw i l ln o ts h a r et h ei n t e r n a lw a t e rp r e s s u r e a n ym o r e ，a n dt h a te m b e d d e dp e n s t o c k w i t h o u te l a s t i cl a y e rs u s t a i n sf e wp r e s s u r ea n dp a s sm a j o rp a r to fp r e s s u r e0 nt ot h e o u t s i d ec o n c r e t es t r u c t u r e o nt h eb a s i so fo b s e r v i n gp r o t o t y p eo fp e n s t o c ka n ds p i r a l c a s ew i t he l a s t i cl a y e r , t h em e a s u r eo fh a v i n ge l a s t i cl a y e ro u t s i d em e m lp i p ec a nb et a k e n t oa d j u s tt h ep r o p o m i o nd fp y e s s n r ea m o n gp i p ea n do u t s i d ec o n c e t es t r u c t u r e i nt h e p r e v i o u sr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h es t u d ya b o u tb o t hp e n s t o c ka n ds p i r a lc a s e w i t hs p i r a l l a y e rw e r ec o n d u c t e df i r s t l yw i t hp a r a m e t e r so fe l a s t i cl a y e ra n dr e l a t e d s t r u c t u r e ，a n dt h e nf o l l o w e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，w i t hn of u l l yr e c o g n i t i o no f e l a s t i cl a y e rp a r a m e t e r sc o n c e r n i n gt h es t r e s ss t a t u so fs t r u c t u r ea n dt h ei n t e r n a lw a t e r p r e s s u r e n os i m p l ea n de f f e c t i v ea n a l y t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d sa b o u tt h ep e n s t o c ko r s p i r a lc a s ew i t he l a s t i cl a y e rh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r dt om e e tt h en e e d so fe n g i n e e r i n g p r a c t i c e ，a n da l s on os y s t e m i cr e s e a r c ha b o u tt h el a y e rm a t e r i a lh a v eb e e nm a d e s i n c e 1 9 9 0 s ，t u r b i n eu n i tw i t h7 0 0 m wc a p a c i t yo fs i n g l es e th a sb e e na d o p t e di nl a r g es c a l e h y d r o p o w e rs m t i o n e m b e d m e n tw i t l l o u te l a s t i cl a y e r , b o t hc o n c r e t i n gw i t hl o wi n t e r n a l p r e s s u r ei nt h es p i r a lc a s ea n di n t e g r a t i n gs p i r a lc a s ew i t ho u t s i d ec o n c r e t es t r u c t u r et o 西安理工大学工程硕士学位论文 f u l l yb e n dt h el o a dh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya d o p t e d b u ta m o n gt h ea b o v et w of o r m s ，t h e f o r m e rh a st h ed r a w b a c ko fh i g hc o s t sa n dl o n gc o n s t r u c t i o np e r i o d ，t h el a t e rt h e s h o r t c o m i n go fm o r ec o n s u m p t i o no fr e i n f o r c e m e n t ，b a dq u a l i t yc o n t r o l l i n ga n dm u c h w i d e rc r a c ki nc o n c r e t e s p i r a lc a s e w i t he l a s t i cl a y e rh a sb a s i c a l l yo v e r c o m et h e s e d e f a u l t s h o w e v e r ，i t se f f e c to nr u n n i n gs t a b i l i t yo ft h et u r b i n eu n i ti st h em o s tc o n c e r n s r e m a i n e di nt h ee n g i n e e r i n gc i r c l e s ，a n dw i t hn os o l u t i o ni np r e v i o u ss t u d y o nt h eb a s i so fe x p l i c a t i o no fp r a c t i c eo fp e n s t o c k ( s p i r a lc a s e ) w i t he l a s t i cl a y e r , t h e s t r e s s s t a t u so fs t r u c t u r ea n dh o wt h ee l a s t i cl a y e ra n dr e l a t e ds t r u c t u r ep a r a m e t e rt o a d j u s tt h ep o r t i o no fw a t e rp r e s s u r ea m o n gm e t a l - p l a t ea n do u t s i d ec o n c r e t es t r u c t u r ei s s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n da n a l y t i c a lm e t h o di nt h ep a p e r t h ea n a l y s i sh a sa l s ob e e nm a d eo na b o u tt h ee f f e c to nr u n n i n go ft h et u r b i n eu n i tu n d e r i t sd i f f e r e n te m b e d m e n t t h ea c h i e v e m e n t so ft h es t u d ya r ea sf o l l o w s ：c a r r y i n go u ta s e r i e so fa n a l y t i c a lf o r m u l aa b o u tp e n s t o c k ( s p i r a lc a s e ) w i t he l a s t i cl a y e r it e s t i f y i n g w h e nf e a s i b l ei nt e c h n i q u ea n dr e a s o n a b l ei ne c o n o m y , t h er u n n i n gs t a b i l i t yo ft h et u r b i n e u n i tc a na l s ob eg u a r a n t e e d t h ea b o v ea c h i e v e m e n th a sr a i s e dt h el e v e lo fa p p l i c a t i o no f p e n s t o c k ( s p i r a lc a s e ) w i t he l a s t i cl a y e rf r o me n g i n e e r i n ge x p e r i e n c et oat h e o r yw i t ha u n i f o r ma n a l y t i c a lc a l c u l a t i o n t h er e s u l t so fi t sd y n a m i ca n a l y s i sh a sg a i n e dt h e a c c e p t a n c eo fm a n u f a c t u r e ro ft u r b i n eu n i t sa n dr e l a t e de m p l o y e r , a n dt h ew a y o f e m b e d m e n tw i t he l a s t i cl a y e ra r o u n dt h es p i r a lc a s ew i l lb ep u ti n t ou s ei nl a x i w a h y d r o p o w e rs t a t i o nw i t ht h eh i g h e s th e a da n d t h el a r g e s tc a p a c i t yo fs i n g l eu n i t k e y w o r d s ：e l a s t i cl a y e r ；, p e n s t o c k ；s p i r a lc a s e ；v i b r a t i o n 1 概迷 1 概述 在水电站压力引水钢管或钢蜗壳外表敷设软垫层材料以满足结构受 力要求的作法已有约半个世纪的历史【”。这种作法在此称之为垫层管或垫 层蜗壳。 早期人们认为设垫层后钢管就可承受受全部内水压力，管外砼结构 不再分担内水压力，但通过7 0 8 0 年代中期从一系列原型观测发现，即 使设置垫层，钢板外围钢筋砼结构仍承受内水应力，而内水压力外传的 多少与所用垫层的材料和厚度有关【1 1 1 2 1 ：不设垫层的砼内埋管，将大部 分内压传给砼结构，钢板应力较小，没有发挥其强度作用。进一步模型 试验也证明了这一点【6 。”。8 0 年代中期以后，随着我国一批高水头大容 量水电站的兴建，压力引水管的d h 值大幅度提高。因结构布置形式的要 求，这种大d h 钢管若直接埋入硷坝内，将对坝体产生较大的削弱，同 时，管顶砼覆盖厚度相对较薄，当钢管与坝体砼共同承担内水压力时， 管顶砼结构将承担大部分内水压力，从而使坝体砼特别是管顶产生很大 的拉应力导致砼裂缝较宽，影响坝体的整体性和安全；按大体积砼内的 配筋要求，还得在管周配置大量的钢筋，而过量的钢筋不仅增加了施工 困难，甚至影响到管外砼的施工质量，与此同时，钢板不能充分发挥其 强度作用。另一方面若按传统作法认识巨型压力钢管单独承受内水压力， 其钢板厚度和加工难度大幅度增加，且需采用进口钢板，从而使工程造 价明显增大。 为了解决上述问题，工程师们从设垫层的压力管道和蜗壳原型观测 结果中得到启发，认识到可以通过在钢管部分乃至全部管周布置压缩模 量较低的垫层来调节钢板与外围砼承担内压的大小。垫层在传递内水压 力时，产生一定的径向变位。这种变位在减少了外围砼承担的内水压力 的同时，提高了钢管承受内压的比例，增加了坝体抗裂安全度，也充分 发挥了钢管的强度作用。为了进一步明确垫层管的工作机理和垫层材料 西安理工大学工程硕士学位论文 一i i l 的传力特性，8 0 9 0 年代中期十余年间，我国许多大专院校、科研机构和 设计单位开展了大量的理论分析计算、模型试验和原型观测工作，取得 了丰富研究成果【6 1 b _ 1 。这些成果，直接指导了垫层管的设计与施工。在 这些研究中，一类为钢管仍按明管设计，设垫层的目的在于保证管外砼 结构的抗裂安全性，如漫湾、水口、万家寨和三峡工程。另一类为通过 合理选择垫层材料力学及几何参数，使钢管和外围砼分担预想的一定比 例范围的内水压力，即可控传力垫层的研究，如龙羊峡四号机垫层蜗壳、 李家峡代替伸缩节的垫层伸缩管。 任何垫层材料都是要外传内水压力的，传力的大小与垫层的力学参 数有关。被普遍接受的观点是：通过垫层传给外围砼结构的内水压力为 总内水压力的1 0 左右时，这种垫层称之为不传力垫层，否则称为传力 垫层。 1 1 国内外垫层管的研究与工程实践 1 1 1 1 关于垫层管的研究 八十年代中期之前，人们普遍认为设置垫层后钢管承担全部内水压 力。但后期的原观资料表明，设垫层后钢管承担内水压力的多少与垫层 材料的力学参数和厚度有关。 八十年代后期，为了解决大直径浅埋式钢管所带来的坝体过分削弱 和抗裂安全性问题，人们在总结原型观测资料规律的基础上对垫层传、 力的机理进行深入的分析研究，所采用的研究方法介绍如下。 垫层管道结构的分析方法可大致分为解析法、数值分析及有限元法 和模型试验。 ( 1 ) 解析法 解析法是应用材料力学、结构力学方法和变形相容原理，在某些假 设的前提下，给出垫层管的受力状态和垫层参数、几何尺寸与外传内水 压力的关系。其特点是简单明了，易于工程实际应用。 1 概述 现有解析法是将垫层钢管结构简化成相当于弹性地基上的等截面薄 圆拱，建立其微分方程，然后将边界条件代入，求得设垫层范围任意截 面上钢管的内力和位移，这里的“弹性地基”就是垫层【6 】。 ( 2 ) 数值分析与有限元法 数值分析法是指将边界元、有限元和弹簧单元等多种单元组合在一 起，分析垫层管结构的应力状态，特别是局部应力与不同材料参数的关 系问题。这种方法的特点是计算精度较高，但应用复杂，一般工程技术 人员不易掌握。 有限元方法则是垫层结构分析必不可少的分析手段。任何一个有一 定规模的科研设计单位都有大型通用有限元分析程序，这种方法极易被 设计者采用。而一些优秀的软件所具有的功能可以模拟垫层管中的大多 数实际情况。所以这种分析方法是垫层管快速经济高效的分析方法。 ( 3 ) 模型试验 通过仿真材料模型试验，可以明确结构受力状态、破坏特征和超载 能力，是垫层管结构分析的有效方法之一，但这种研究方法费用高、周 期长，不易全面系统分析垫层参数对应力状态的影响。 1 1 2 国内垫层管的工程实践 在钢管项部小范围设垫层的工程有三门峡、刘家峡、龙羊峡和隔河 岩等工程。以下对大范围铺设垫层的水口、漫湾、万家寨和三峡工程及 设传力垫层的李家峡垫层等作简要介绍。 ( 1 ) 水口水电站垫层钢管1 1 1 、1 2 】 水口水电站位于福建省闽江干流，下游距福州市8 4 k i n ，砼重力坝最 大坝高1 0 1 m 。引水坝段宽2 0 5 m ，内埋直径1 0 5 m 的压力钢管，最大内 水压力o 7 1 1 m p a ，钢管上弯段及水平段上部砼覆盖厚度仅2 2 5 2 5 m ， 不足管径的1 4 。若不采用任何措施按常规坝内埋管设计，管顶砼将全部 开展，影响大坝整体性。实际工程设计时采用钢管外壁铺设垫层，以提 西安理工大学工程硕士学位论文 高坝体抗裂安全度。根据计算分析和模型试验，水口水电站钢管上部软 垫层选用z x 型聚苯乙烯泡沫板材( 简称p s 泡沫板) ，厚度为3 e m 。在 钢管上半圈1 8 0 。范围铺贴，加劲环亦用垫层包裹粘结材料为p w e 粘结 剂( 由聚氨酯和添加剂组成) 。从渐变段末端算起，每条钢管总长约6 0 m ， 其中下游4 0 m 设软垫层，7 条钢管共计铺设垫层7 5 3 2 m 2 。水口水电站钢 管1 9 9 3 年至1 9 9 6 年陆续投入运行，情况良好，工程实践表明，采用垫 层钢管的结构型式，提高了管顶砼的抗裂安全度和管道的承载力能力， 减少配筋3 0 。 ( 2 ) 漫湾水电站垫层钢管 漫湾水电站大坝为砼重力坝，最大坝高1 3 2 m 。前期装机容量 5 x 2 5 0 m w ，后期装机容量6 x 2 5 0 m w 。压力钢管为单机单管，钢管内径 7 5 m ，最大设计水头1 2 7 7 m ，h i ) 值为9 5 7 6 m z 。由于压力钢管下弯段和 水平段位于上游副厂房之下，砼覆盖厚度为2 9 5 m ，如钢管与周围砼直接 接触，运行期间大部分内水压力传至管外周围砼，而钢衬本身的环向拉 应力仅为2 9 m p a ，此时管顶砼的拉应力高达3 0 7 m p a ，管顶砼内拉应力 区域几乎贯穿整个垂直向范围，管顶砼无疑要裂穿。为此，在上部砼覆 盖较薄弱管段f 管0 + 7 0 3 3 3 0 + 1 1 9 5 1 0 m ) 范围设置垫层。 根据计算分析，最终采用3 c m 厚的e p s 泡沫板，作为垫层材料，其 “弹性”模量为2 m p a ，设计时保持垫层材料在应变值小于0 1 范围内工作。 垫层覆盖的钢管段总长4 9 m ，除厂坝分缝上下游各l m 范围整圈钢管均用 垫层包起来起到伸缩管( 不设伸缩节) 作用外，其余部分垫层包角为上半部 1 8 0 。 为改善垫层末端钢管壁与砼的应力集中现象，将垫层末端的厚度由 3 c m 按2 个阶梯渐变为l e n a 厚。 垫层粘贴材料为6 0 号热沥青施工实践证明，采用热沥青不仅造价 低，旌工方便，而且粘贴效果也好，能满足设计要求。 设垫层的钢管按明管设计，其允许应力比明管提高1 0 。 4 1 概述 采用垫层后，5 条钢管周围配筋节约钢筋约2 0 0 t 。从1 9 9 3 年6 月3 0 日首台机投产发电至今5 台机全部投产，压力钢管运行正常，副厂房地 段没有发现裂缝，说明设置“弹性”垫层在漫湾水电站应用是成功的。 ( 3 ) 万家寨水电站垫层钢管 万家寨水电站位于黄河北干流上段的托克托至龙口峡谷河段内。坝 址左岸为山西省偏关县，右岸为内蒙古自治区准格尔旗。坝体为砼重力 坝，电站坝段最大坝高1 0 5 m 。电站装机6 x 1 8 0 m w 。机组为单机单管引 水方式，钢管内径7 5 m ， 单机设计引用流量3 0 0 m 3 s 。在正常蓄水位 时管道最大内水压力为1 1 l m p a ，管道h d 为8 3 3 m 。压力管道采用下游 坝面浅埋式压力钢管结构布置型式，钢管斜直段外包砼厚度为1 5 m ，预 留钢管槽宽、深均为1 0 5 m 。 根据有限元结构计算和平面模型试验结果，在钢管顶部2 2 0 。范围内 设置聚乙烯闭孔泡沫板垫层。在上弯段垫层厚为2 c m ，斜直段及下弯段 为3 c m ，垫层末端厚度由2 或3 c m 在1 0 m 范围内渐变为o 5 c m ，以减小 钢衬及外包砼的局部应力集中。为防止钢管周围渗水长期浸泡垫层材料 引起其老化，影响垫层的传力，在敷设垫层范围设置环向钢管以加强排 水。 万家寨引水钢管每条全长为8 2 m ，6 条钢管共布置垫层约7 1 0 0 m 2 。 ( 4 ) 垫层在三峡水电站引水管道上的应用 三峡水电站左岸1 4 x 7 0 0 m w 机组的引水管道采用下游坝面浅槽式钢 衬钢筋砼压力管道的结构型式。坝段宽2 5 m ，管道内径1 2 4 ，最大内水 压力约为1 4 m p a ，d h 值为1 6 8 3 m2 。为防止钢管外包砼结构受荷开裂对 坝体结构的影响，在压力管道近9 0 m 长的斜直段，坝体预留槽与钢衬钢 筋砼管道侧面接触面上设3 e m 厚的垫层。每条钢管铺垫层9 7 2 m 2 。斜直 段管顶外包砼厚2 0 m ，斜直段末端设计校核内水压力约为1 2 1 m p a 和 1 2 7 m p a 。 1 # - 6 # 钢管取消伸缩节后，在主厂房上游墙面上下各5 8 m 范围，钢 5 西安理工大学工程硕士学位论文 管全断面设垫层，其中靠上游的9 6 m 范围垫层厚5 c m ，接着每0 4 m 垫 层厚依次为4 e r a 、3 c m 和2 c m ，每条钢管全断面设垫层的范围为4 5 2 m2 。 上述范围所用垫层均为为高压聚乙烯闭孔泡沫板，用氯丁胶与钢管 粘贴。 岱) 李家峡水电站传力垫层伸缩管【1 3 t 1 4 】 李家峡水电站2 一5 机取消了厂坝分缝处伸缩节后采用了传力垫层 伸缩管。 由于钢板订货的限制，2 o 机伸缩管按明管设计时，现有的钢板厚 度不满足强度要求，重新订货时间又来不及。为了使伸缩管能适应厂坝 间不均匀变位而又不承担全部内水压力，采用了在钢管全周设传力软垫 层的措施。 根据计算分析，伸缩管承受的厂坝间不均匀变位管轴向受压为3 o m ， 径向为l m m ，温度荷载为+ 1 1 ，伸缩管直径8 m 。计算厚度3 8 m m 时， 承受上述荷载后，所再能承担的内水压力为此处设计内压1 5 5 m p a 的 5 0 ，也就是说，其余5 0 的内水压力要靠垫层传至外围钢筋砼结构。 此段钢管承担的5 0 总内水压力由两部分组成；第一为长期荷载作用 下垫层塑性徐变变形产生的间隙使钢管径向变形同样大小时所对应的内 水压力：第二为垫层实际工作时，钢管与砼联合作用情况下钢管分担的内 水压力。因此确定垫层材料在长期反复加载的情况下的残余变形呈得尤 为重要。为此，本工程进行了多种材料3 0 多个试样、每个试样反复加卸 载2 0 次的试验，最后选定聚胺脂软木垫层。6 r a m 厚的该垫层残余应变为 o 0 9 4 ，总应变值为0 3 2 5 。 根据计算分析伸缩管长定为8 m ，上游端设排水。管外围钢筋砼结构 承担的内水压力比例，根据垫层初次加载时的压缩模量计算确定。作为 安全储备预留环缝时的焊接拉应力不考虑。 作为传力垫层管，垫层的粘贴质量关系到结构的功能性能否实现的 大问题，为此，制定了严格的垫层铺设及竣工验收施工技术要求f 1 5 】。实 1 概述 施结果表明，垫层与钢管能紧密粘贴。粘结剂采用环氧类材料。 李家峡水电站2 一4 机1 9 9 7 年一1 9 9 9 年投入运行，目前伸缩管运行正 常。 1 1 3 国内垫层蜗壳的工程实例、模型试验与原型观测 f 1 ) 国内垫层蜗壳的工程实例【2 】【1 6 2 0 】 我国大中型水电站在钢蜗壳顶部多采用铺设垫层的方法来减少蜗壳 内水压力外传。以往的工程实践中，假定蜗壳承担全部内水压力，水轮 机厂家按最大静水压加水击压力设计蜗壳钢板厚度。蜗壳外围砼结构则 由专业设计院设计。8 0 年代中期以前一般认为，蜗壳外围钢筋砼结构不 承担内水压力，只承担结构自重、机组荷载及温度荷载。为了避免内压 外传，在蜗壳上半部分设置“弹性”垫层。如刘家峡2 2 5 m w 机组，用锯末、 麻刀、沥清、鱼油为原料作成约5 c m 厚的予制块，满铺在蜗壳上部表面， 预制块上再铺二毡三油，形成5 - 6 e r a 厚的垫层，装机3 x 2 1 0 m w 的乌江 渡水电站，垫层用3 ”和5 沥清( 比例6 0 ：4 0 ) 配成，先做成6 0 x 3 5 x 5 c m 3 的 块体放在蜗壳同弧度的板上，摆在蜗壳上后用热沥清灌注2 1 1 。龙羊峡 1 3 饥垫层用沥青、锯未、麻刀和柴油( 7 1 ：1 7 5 ：8 6 ：2 9 ) 配成，厚5 c m 左 右。机型相同，单机出力i o o m w 的碧口和风滩机组均采用软木垫层，其 厚度分别为5 c m 和l o c m 3 1 2 2 2 引。我国已建的大中型水电站中蜗壳 所设垫层厚度大多在3 c m 以上，但也有例外，比如单机7 5 m w 的新安江 2 机在安装期间发现钢板冲击韧性不够，为了保证钢板一旦破裂，外围 钢筋砼能承担全部内水压力而对结构重新计算，又考虑到两者要联合承 担全部内水压力，在蜗壳上部铺设0 5 c m 的油毡薄垫层【”。龙羊峡4 + 机 蜗壳结构的设计经设计院与水轮机制造厂研究结果有目的设置了厚 o 5 5 c m 的聚胺脂软木垫层，并将垫层末端延伸至机组安装高程以下5 0 。 范围，在钢壳# l , g q 及回填砼中埋设各类观测仪器2 0 0 余支，以了解结构 的实际工作状态。 李家峡水电站是国内采用垫层蜗壳的最大机组，单机容量为4 0 0 万 西安理工大学工程硕士学位论文 k w 。蜗壳进水口最大设计静水头1 6 2 m ，h d 值为1 2 9 6 m2 。垫层为聚胺 脂软木，厚度为2 c m 。 ( 2 ) 龙羊峡传力垫层蜗壳结构模型试验简介 为了研究垫层蜗壳的工作机理和垫层传力特性，西北勘测设计院在 龙羊峡4 机蜗壳结构的研究，进行了1 ：1 0 的仿真材料模型试验，试验表 明，原型垫层为聚胺脂软木，压缩模量为3 7 5 m p a ，厚6 m 时，外传内水 压力比例为4 2 6 。 ( 3 ) 垫层蜗壳的原观测工程实例【4 】1 2 4 l 我国在设置垫层的大中型水电站的蜗壳中，在钢板外表面及砼中埋 设了各种应力、应变和温度等观测仪器，有的电站有几年乃至十几年的 连续观测值，为了解这些结构的实际工作状态提供了宝贵的资料。 1 1 刘家峡电站观测成果 蜗壳进口0 。断面( 断面i ) 处直径为6 2 9 m ：9 0 。断面( 断面i i ) 处童径为 5 2 7 m ，采用5 6 c m 的沥青垫层，仪器埋设在1 ，2 号机组i 、i i 断面， 共布置1 5 支钢筋计及1 5 支钢板计。每个断面的仪器都布置在蝶边顶部 和垫层末端水平位置，十余年的观测资料表【1 9 】： 蜗壳进口段蝶边附近不设加劲板比设置劲板时，钢板拉应力大 3 4 倍左右。 蜗壳在历次充放水时，各测点的应力变化幅度有者渐增的趋势 性变化； 。设计认为竖向荷载是对砼应力起控制作用的荷载。按此假定， 施加竖向荷载后，钢筋计即有明显应力变化，但观测结果表明，在机组 安装期间，设计控制点的三个钢筋计应力并没有突变。运行前二个机组 五支钢筋计应力都与温度呈良好的负相关，即随着温度上升，拉应力减 少，温度下降拉应力增大。 内水压力作用下，钢筋计应力随水压变化而变化。0 。断面顶部 钢筋计初期充水时应力变化1 0 m p a 左右。由实测钢筋应力换算砼应力， 8 l 概述 首次充水前约为1 2 m p a ，砼不会开裂，充水后砼拉应力超过2 o m p a ，从 钢筋应力发展趋势以及残余应力看，砼顶板已经开裂。 与竖向荷载相比，温度对钢筋砼结构来讲是更重要的荷载。 2 ) 新安江观测资料 新安江蜗壳进口直径4 7 4 m ，9 0 。断面处其直径为3 4 m ，设0 5 e r a 厚 的油毡垫层，观测仪器埋设在6 。，1 5 5 。断面顶部和水平位置，观测结果 表明： 钢板随着时间的增长承担的荷载有增大的趋势： 机组运行1 0 个月后，专门进行的充放水试验中，钢筋应力在内水压 力作用下的变化幅度仅为首次充水时的3 0 4 0 ，残余应力均大于 2 0 m p a ，说明砼已开裂；充放水试验表明0 。断面各测点应力变化呈良好的 线性变化，回差较小；1 5 5 。断面钢板应力在水压约o 5 m p a 时过程线出现 明显转折；钢筋应力过程线在o 2 5 及o 5 m p a ，o 。断面在水压约为0 6 m p a 以上时，钢板与砼进入较完全的联合受力状态。 3 ) 碧口电站观测成果 碧口蜗壳进口直径6 m ，上半部铺设5 c m 厚的软木垫层。为防止蝶边 出现较大的拉应力，在座环与蜗壳连接处附近取消了8 0 1 0 0 c m 的垫层。 观测仪器布置在0 。、9 0 。、1 8 0 。及2 7 0 。断面，观测资料表明“2 5 1： 座环蝶边与蜗壳连接处由于采用钢板与钢筋砼联合受力的结构形 式，使此部位应力大为降低，最大拉应力仅为3 2 m p a ，只占钢板允许拉 应力的1 9 ，有的部位甚至为压应力。 蜗壳顶部的钢板对内水压力变化反映敏感，而钢筋应力随内水压变 化不大，说明蜗壳设置垫层是能够达到钢蜗壳与其外围硷各自独立工作 的目的。 钢筋应力随温度呈周期性变化，其值最大为2 0 m p a ，多数钢筋计处 于受压状态。 4 1 凤滩电站观测成果5 1 ： 西安理工大学工程硕士学位论文 风滩机型与碧口相同，蜗壳进口段钢板厚为3 2 、2 8 r a m 。机组运行一 段时间后，进行了专门的充水试验。1 - 2 m p a 内压下，蜗壳进口断面环向， 应力实测值与壳外无砼时有限元计算接近，说明厚软木垫层起到了防止 内压外传的作用。 从以上四个工程的原型观测结果可以归纳出如下几个结论采用沥青 类垫层( 其压缩模量约为8 0 1 3 0 m p a ) ，不论设计是否考虑联合受力， 事实上钢板与砼在内压作用下处于联合承载状态； 若采用软木垫层( 弹模为5 m p a 左右) ，其厚度在5 c m 以上时，上半部 钢板对内压变化十分敏感而此部位钢筋应力变化较小，可以认为垫层起 到了防止内压外传的作用。 取消垫层的蝶边应力要比有垫层情况下小的多； 钢筋的温度应力取决于砼浇筑期的温控情况。若温控措施得当，钢 筋应力可保持在很低的水平( 如碧口电站的情况) ； 从上述几点可以看出，垫层是否起到传力作用与所用垫层材料的压 缩模量、厚度密切相关，这一成果对长期以来垫层是否传力的争论，给 予了明确的答复。 国内垫层管( 蜗壳) 参数统计见表1 1 。 1 1 4 国外垫层管、垫层蜗壳的作法 垫层钢管和垫层蜗壳在国外以前也是较普遍采用的一种型式 【2 2 1 【2 6 埘1 ，但随着机组容量的加大和满足a s m e 的标准的要求，使用垫层 豹情况越来越少。以前有关详细研究垫层结构工作机理和垫层材料本身 的物理力学特性的报道几乎没有，仅能查找的是有关垫层管的作法，现 说明如下： ( 1 ) 垫层管的应用实例 美国大古力水电站钢管直径1 2 2 m ，每条钢管引用流量8 5 0 m 3 s ， 单机容量6 0 0 m w 。压力钢管上部2 2 0 。范围铺以2 5 4 c m 的垫层，垫层按 o 9 1 4 x 1 2 1 9 m 2 的分块粘贴在钢管外壁。为了消除管外砼开裂的可能性， l o 1 概述 | 目e j e ! ! ! ! 寡! ! ! ! g 目目! | _ i li i 目! 皇目目e ! 目 除垫层外，钢管在充压状态下浇筑外围砼。 一巴西阿瓜佛尔梅哈水电站装机6 2 3 0 m w ，水头5 7 m ，引水钢管内 径9 m ，长4 5 6 2 m ，其中长约3 0 m 范围上半周设垫层，靠近厂房1 3 m 范 围钢管全断层设垫层，垫层用油毡制成，厚2 e r a 。 另外巴西伊太普和美国的德沃夏克水电站也有部分钢管段设置了垫 层。 ( 2 ) 国外垫层蜗壳的工程实例 钢壳外设置垫层的埋置法( e m b e d m e n tw i t hay i e l d i n gc o a t i n g ) ，多在 蜗壳外面的上半部分铺上柔性材料垫层和无粘结保护层，蜗壳下部分常 用锚钩，拉紧器，千斤顶等定位并将其支撑锚固在基础砼上。当蜗壳在 空壳状态被埋入砼时，垫层在蜗壳与砼之间形成一个隔层。当蜗壳充压 膨胀时，蜗壳与砼之间的软垫层将受压而吸收全部或大部分蜗壳的膨胀 变形。垫层吸收蜗壳变形的能力取决于其厚度和材料的力学特性。因此 在垫层的铺设范围减少或避免了内水压力外传给砼。表1 3 列出垫层的不 同施工方法，从中可以看出，垫层的厚度在实际应用中变得越来越薄。 表1 2 列出国外应用垫层的几个工程f 3 1 , 3 2 3 。 西安理工大学工程硕士学位论文 爨 皋匿 廿廿廿j 卜j 卜 廿廿 廿 廿廿廿 姐誓 。叶。 譬 。o口奇n卜 鼎 j l 曼皂 宝 2曼2 客害蜜 划 瓣 一一 _ 一一 羹鍪 抿嘏艰懈恨很黻翔双抽轴鼬篁皿鼬 馨譬譬馨譬骚嗒墨墨蓝露蓝墨 墨 鼬 ：金 穹寮 吖 器s 1 寸“ 船 隶 一 “ 舞 脚 名毛 岛 窝8 蹦星量 -n 剥 l l n 掣裂墓 ” 魄 l 董 o 爱矍乏 号 宁 q 鲁 3 世 襞蔓 气器 静 n6 | 坚 寸寸 群基蝌 *暴】 制 窭景 髅 期 些鼎蜒蜒 d 品 茸捌 1 舡钾 *船 麻 瑷 裂基匿 门呐晡疆蝮 擗门心 噬 妻 龆 柿 群铎露 赔 氍 剥 旧 烬 掣粤一 率盏 詈 囊3 nq q 葛 8 导 _ 一 嚣 g 8 2 昌鲁 曷 莩 磊8 蠢邑 一 羚 一 - 一n 一 卜 n 蜒 h馨卷鲻 誉 越 髫 秣 酶 赫 甚 掉 懈 攀*c餐 口h* 孵悱k 驰 端 j h夏 1 1 |匿热o鞭* ， ， ， h ， o = n nn寸 l 九 卜 懈拳擦繇酶恨窨v敬噬崭匠哑1i懈 眩 l 概述 表1 2 应用垫层的工程h 2 4 捌 单机容量蜗壳进口直径 电站名所在国家 机组制造厂家 水头( m ) ( m w )( m ) i k e h a r s日本日立8 0 0 0 1 2 9 5 i k c h a 巧1 1日本日立1 1 0 0 01 2 9 5 m a c n g a t 泰国富士 4 7 04 0 01 7 4 0 p c i x o t o 巴西 多米宁5 2 9 5 4 50 4 9 5 3 l h a s o l t e i r a巴西 日立 1 6 5 5 0 5 0 08 - 4 0 0 o t r o d 日本 昌立1 0 0 0 05 1 0 7 0 0 0 f u r l l a s巴西 n o h a b k m w 1 5 4 5 0 9 4 0 05 7 1 8 s h i n n a r i h a g a w a 日本日立7 8 0 0 9 4 7 04 2 0 0 n a g a m o日本 日立1 1 3 0 01 0 7 5 04 7 5 0 t a v c r 丑多米尼加n o h a b - k m w4 1 3 0 1 1 0 0 03 0 0 0 1 , u d i n g t o n 美国日立3 4 3 0 0 1 1 3 6 0 7 3 1 5 k e r c k o 自斟o 2 美国 日立1 4 1 7 01 1 8 9 04 0 0 0 t u f i o u l g i h i l l 爱尔兰n o h a b k m8 0 7 0 2 8 7 0 01 7 0 0 u p p e r l n d r a v s t i 印度富士1 7 2 0 0 3 7 0 0 0 2 1 8 6 b a i i n a b a s t a南斯拉夫东芝 2 9 4 0 05 5 4 3 02 - 3 1 2 o k u v a h a s i日本 日立2 6 7 0 04 3 4323 0 0 表1 3 应用垫层的几种方法 方法施工顺序 l 、清理蜗壳表面在其外表涂上两层防锈漆： 2 、贴上两层屋面纸( r o o f i n gp a p c o ； 3 、贴上可压缩纤维板( 约2 5 r a m 厚) ； 方法a 4 、贴上两层乙烯树脂板f 约0 5 m m 厚) ： 5 、贴镀锌钢板f 约0 3 r a m 厚) ； 6 、用铁丝( 1 2 ) 捆扎： 1 、清理蜗壳表亟涂两层防锈滚： 2 、用l