厂房蜗壳二期混凝土保温保压设计研究.pdf

水 利 水 电 工 程 设 计D WR HE 2 o 1 4年 第 3 3卷 第 3期 厂房蜗壳二期混凝土保温保压设计研究 张忠辉 黄建文 李永胜 摘 要 随着高水头 、高转速 、大容量的水轮机蜗壳 的出现，蜗壳与周 围的二期 混凝 土需要共同承担水头压力 ，因 此二期混凝土 的浇筑不但 需要保压 ，还 需要考虑保 温措施 ，蜗壳与二期混凝土 才能更好地 共 同承担水头压力。 目前 一 般水 电站工程只要求保压 ，很少 要求保 温浇筑。通过 工程实践 ，提 供 了一个保 温保压从设计 到施工的工程 实例 ， 以便其他工程借鉴。 关键词 水电站 蜗 壳 二期混凝土 保 温温度 保压压力 中图分 类号 3 3 1 文献标识码B 文章编号l O O 7 6 9 8 0 ( 2 o 1 4 ) 0 3 0 0 0 4 0 3 1 工 程 概 况 斐济某水 电站工程为单机容量为 2 2 MW 冲击 式 机 组 ，设 计 水 头 为 3 3 6 m，总 装 机 4 4 MW ，最 大引水流量 1 5 m 3 s 。厂房为岸边式厂房 ，主厂房 地 面 高程 高 于厂 区地 面 高 程 。为 2 0 0 3 0 m，长 4 2 8 5 n l ，宽 1 8 m，总高度 3 2 0 m，其 中地面以上 高度为 1 8 2 0 1T I 。厂房 内布置 2台五喷嘴垂直冲击 式水 轮 发 电 机 组 ，机 组 间 距 1 3 6 0 m。 主厂 房 1 9 3 2 0 m高程 为蜗壳层 ，机组 安装 高程为 1 9 3 5 m，蜗壳进 口直径为 1 1 I T I ，蜗壳钢材厚度为 2 5 4 5 mm采用 Q 3 4 5 R钢材 。 根 据 原 厂房 的 布置 和机 电设 备 安 装 需 要 土 建需要在机组机墩预 留较大的二期混 凝土 。二期 混凝 土的尺寸 比较单薄 ，很难满足结 构要求 特 别是蜗壳外 围的二期混凝土 ，结构更 加单薄 。最 薄处 只有 3 0 c m。如 果加 大 厂房 的尺 寸 ，势必 造成 工程量 的增加和工期的延误 。通过对 蜗壳外 围的 二期混凝土浇筑施工采取保温保压措 施 可以解 决上述难题 ，因此蜗壳的保温保压设计至关重要 。 2 保温保压现状 2 0世纪 3 0年代 ，水 电站机组蜗壳的焊接质量 检验一般采用压水试验方法 ，以便消除焊接应力 ， 取消混凝土与蜗壳间的弹性垫层。 随着高水头 、高转 速 、大容量 的水 轮机 蜗壳 的 出现 ，蜗壳在保压状态下浇筑外围混凝土 ，在 水电工程 中已经普遍应用 主要 目的是检验水 轮 机蜗壳 、座环焊缝 的焊接质量 消除焊缝焊接应 力 。在 蜗壳 保持一定压力状况下 ，进行二期混凝 土浇筑， 以替代 常规使用的弹性层 ，利用蜗壳与混 凝土联合受力，减少混凝 土的钢筋用量 。 由于蜗壳在保压 状态下 ，相 当于一个密封 的 压力容器 要保持蜗壳温度 需要蜗壳内的水 为 循环水 ，以解决保温 的实施 问题 。保温措施 实施 的关键是温度设计 ，即如何确定水温。蜗壳 内的 水 通过 减 压 阀和加 压 阀 ，可 以 实现水 的 内外 循 环 ， 但循环水流量的大小和蜗壳 内要保持的水温温度 的确定 ，是保温措施实施 的关键技术难题 。很 多 工程因无法确定水温和流量 ，最终放弃保温方案 改用弹性垫层或无损探伤替代。 目前 ，在 国内外水电工程项 目中 ，采用保温 保压措施 的很少 ，一般都只采取保压措施 ，因此 ， 对 于保 温保 压设 计 的研 究具 有积 极 的意义 。 3 保温保压设计的基本思路 与理论依据 3 1 设计 的基 本思 路 保 温 保 压设 计 的 基本 思 路 为 ：( 1 ) 根据 蜗 壳 与 外 围混凝土联合受力分析 ，初步确定蜗壳和混凝 土各 自承担 的压力 ，进而确定 蜗壳 的保压 压力 ； ( 2 ) 根据斐济的自然条件 ，即气温 、水温和混凝土 的浇筑温度 结合 蜗壳 的应力分析及一般常规混 凝土浇筑施工时的入仓 温度 ，确定蜗壳 内应该保 持 的水 温 ，进 而 确定 保 持水 温 的循 环 水 流量 。 ( 3 ) 钢蜗壳保温保压施工措施实施 的可行性 ，提 出 实施 的思路 和初 步 的措施 。 3 2 保压 的 基本原 理 蜗壳在进 出 口密封 的情况下就成为一个压力 容器 ，充水后 ，容器内压力 上升 ，蜗壳产生一定 变形 ，此时保持压力不变 ，进行蜗壳外 围混凝土 的浇筑 ，由于保持压力不变 ，因此混凝 土不会 因 蜗壳泄压而变形 。蜗壳泄压后 ，蜗壳 与外 围混凝 张忠辉等 厂 房 蜗 壳 二 期 混 凝 土 保 温 保 压 设 计 研 究 土之 间将产生缝 隙 ，这个缝 隙的大小 由多种 因素 决 定。当机组正 常运行 时 ，蜗壳 内部压力上升到 与保压 时的压力相 同时 混凝 土与蜗壳就会 贴得 很 紧。但往往 由于水温 、气 温 、约束条件等的变 化 ，蜗壳 与 混 凝 土 之 间不 一 定 能 够 贴 得 很 紧 ，如 果此时还有缝 隙，则蜗壳将承担全部的内水压力 ， 同时 ，机组运行 时可能产生较大振动 。如果混凝 土与蜗壳之 间缝 隙压的过紧 ，混凝土将承担较大 部 分 的 内 水 压 力 ，从 而 影 响 混 凝 土 的 结 构 安 全 ， 因此 ，保压设计 的基本原 理就是合理分配蜗壳 与 外围混凝土承担的内力。 3 3蜗 壳与外 围二 期 混凝 土结构 的 关 系 机组充水运行 时 ，首先 由蜗壳 单独承担荷 载 ( 保压压力 ) ，剩余的荷载 由混凝土与蜗壳联合承 担。假定最大水头压力为 P，保压压力为 P k ，蜗壳 分担 的压 力 为 ，混 凝 土分担 的 压力 为 ，则 ： 尸 = + P s + P c 保 压 压 力 的 大小 对 蜗 壳 及 外 围 混 凝 土 都 有 很 大 的影响 ，保压压力越小 ，蜗壳 与混凝 土联合 承 担 的压力就越大 ，外混凝土结构与蜗壳之 间的间 隙就越小 ，那么在设计水头运行条件下 ，混凝 土 结构承受 内水压力就越大 ，混凝土结构就会承 担 更大 的负荷 ，混凝土结构 的配筋就增加 。保压压 力越 大 。蜗壳 与混凝土 联合承担 的压力 就越小 。 外 围混凝土结构与蜗壳之 间的间隙就越 大 ，在 设 计水头运行条件下 混凝土结构所 承受 内水压 力 就越小 ，所需配置 的钢筋就越少 但在正 常水 头 下 ，蜗壳与外 围混凝 土之 间就可 能存 在一定 的缝 隙 ，机组运行时会发生振动 ；因此确定保压压 力 的大小是保温保压设计 的关键步骤 。 3 4保 温 的基本 原理 混凝土在 浇筑过 程 中 ，由于水 泥 的水化 热 ， 使得混凝土 的温度上升 ，从而 引起 蜗壳 因温度上 升 而变形 。斐济某水 电站工程 蜗壳的结构分析结 果 表明 ，蜗壳 的温度上升 5 。 后 ，变形非常严 重 ， 因此 提出蜗壳在保压浇筑过程 中应 该采取保温措 施 ，否则会导致蜗壳 变形移位 影响机组运行安 全 。 要采取保 温措施 ，从传热学 的角度就 是热传 递 ，把水 泥的水化热 通过采 取措施 ，传递 出去 。 一 般水工上采取水 流作为对流介质 ，把热量传递 出去，从而降低蜗壳表面的温度。 在确定保温温度 和水流温度 的情 况下 ，通过 混凝 土的热学性 能 ，计算出水泥的水化热放热过 程和温 升过程 即可估 算 出和水 流 的热传 递量 ， 从而确定水流流量。 4 保 压压力的确定 机 组运行 时 ，出现最 大水 头 的工 况 为发生水 锤 时，蜗壳 内发生最大压力 ，因此要确定保压压力 ， 需要先进行机组的过渡过程计算 ( 即水锤计算) 。 斐济某水 电站工程采用 国际通用过渡过程计 算软件 P i p e 2 0 0 0程序 ，进行了钢管瞬时态过渡过 程计算分析 。根据计算结果 ，蜗壳和混凝 土承 担 的最大压力为 3 8 1 2 MP a ，见图 1 。 55 0 5 0 0 450 曼4 0 0 逭 3 5 0 30 0 250 2 O O U 5U U J U UU l， UU 2 UUU 2 5U U j UU U 距离 m 图 1 压力钢管沿线水头压 力分布 图 通过对 蜗壳周 围的混凝 土结 构进行 分析 。由 于斐 济某水 电站工程蜗壳外 围混凝土结构较为单 薄 ，希 望混凝土结构尽量少 的承担荷载 。按照混 凝土结 构分析 的结果 ，二期? 昆凝土能够承担的荷 载为 ： 0 2 9 MP a ，按照混凝土分担 3 0 的联合荷 载 ，蜗壳分担的荷载为 ： 0 6 6 MP a ，则蜗壳与混 凝土联 合承担 的压力 = 0 9 5 MP a ，保压压力 P k = 3 81 2 -0 9 5 =2 8 6 2 MPa。 5 保温温 度及流量确定 5 1 保 温 温度确 定 机组配水环管外 围混凝土浇筑时 ，混凝土散 发大量热量的水化热 ，使得蜗壳温度上升 ，从而 引起蜗 壳变形 因此 需要把混 凝土散发 的热量 ， 尽快散去 ，以保持蜗壳 的温度保持不变。 根据工程所在河流的水温资料 ，9月份的水温 在 1 9 2 2之间 ，可 以根据浇 筑时 的温度 修改 ， 本工程取( 2 0 3 )作为保温温度。 5 2 通水 流量 的确 定 通水流量是 由水泥水化热释放 的热量与蜗壳 内水流带走的热量相等来确定 。利用水化热计算 公式可以计算水 泥的水化热 进而计算循环水流 量 。 ( 下转 第 2 5页 ) 蓝荣和等 喀 麦 隆 曼 维 莱 水 电 站 输 水 明 渠 设 计 3 、4 、5 集雨区。为避免降雨在这些集雨区汇集 过多 ，雨水漫溢人输水明渠 结合截水沟的设计 ， 将两岸的集水区分别采用截水渠串联起来 。左岸 2 个集水 区最终和水库联通 ：右侧集水 区汇集 的雨 水经排水涵排至主溢洪道下游河 道。根据 产汇流 计算 ，设计暴雨条件下 ，通过水文分析计算结果 ， 输水 明渠右岸 3处洼地及分水岭 以内的全部雨水 日平 均 流量 为 5 m 3 s 。各段 截 水渠 的断 面尺 寸根 据 汇流区域 的大小并按照适 当加大的原则进行设计 。 渠道两侧边坡顶部 的截水 沟和边 坡底部排水沟汇 集 的雨水排至截水渠或集水区。 输 水 明渠 右 岸 排 水 系统 方 案 具 体 设 计 如 下 ： 在 通 过 右岸 3处 低 洼 地段 的 输 水 明 渠 渠 堤 外 侧 堆 放顶部宽度为 1 0 2 0 m的工程弃渣( 顶部高程同与之 相接 的渠顶高程并坡向外侧 ) ，以起到保护填方渠 堤的作用。保 留 3处洼地的其余 部分作为天然蓄 水 池 ，通 过 在 3处 洼 地 之 间 的 渠 道 外 侧 开 挖 截 水 沟将 3处洼地 连通 起来 ，输水明渠右岸 的全部降 雨汇水最终全部引至 3 洼地内 ，在 3 洼地的北侧 靠近恩特姆河最近处通过修建引渠及埋涵( 考虑到 + ” +一 +一 十一+一 +” +一 +一 + ( 上 接 第 5页 ) 根据试验资料 ，水 泥累积水 化热计算公式 如 下 ： q = Q o ( 1 一 e ) 式中 ：Q 在龄期 t 时的累积水化热 ，J k g ； Q 水泥水化热 总量 ，J k g ，根据试验 资 料 ，本 工程取 1 0 0 4 J k g ； 龄 期 ，d； m 常 数 ， 与 水 泥 品 种 、 比 表 面 等 有 关 ( 这里 取 0 3 8 4 ) 。 假定 1 d之内的放热为线性分布 ，最大值发生 在 1 2 h ，则单位时问放热最大值为 5 2 3 J ( k g h ) 。 根 据保 温 时 间 不 考 虑 下 层 温 升 ，上 层 考 虑 暴露 于空气 ，气 温 2 4 2 9 o C；根据这些 资料 ，按 照传热学原理 ，可 以计算蜗壳 的温升和循 环水的 流量 = 1 0 2 m 3 s 。 施工期 间临时道路不能 中断 。因此临时道路以下 修建一段埋涵 ) 最终将雨水排向恩特姆河。 3结语 曼 维莱 水 电 工程 地处 非 洲 热带 原 始森 林 地 区 ， 发 电输水明渠渠线 的选 择不仅要考虑土石方 的尽 量平衡 以尽可 能减少 弃渣 同时也充分考虑 了工 程 区降雨强度大 、雨 季时间长 的特点 ，尽可能增 加“ 挖 方”渠段 ，减少“ 填 方”或“ 半挖 半填 ” 渠段 ，对于增加渠道 运行 的安全性 和降低施工难 度 ，减少雨季对土料 施工的影 响 ，是一个既经济 又安 全 的设计 思 路 。 作 者 简 介 蓝荣和 男 高级工程 师 中国水利 水 电第十 六工程局有 限公 司 福建福州 3 5 0 0 0 3 鲁永华 男 工程 师 中水北方勘测设 计研 究有 限责任公 司 天津 3 0 0 2 2 2 李永胜 男 工程 师 中水北方勘测设 计研 究有 限责任公 司 天津3 0 0 2 2 2 ( 收 稿 日期 2 01 4 0 6 2 5 ) 保蜗壳 的安装精度 。从而有利于机组安全可靠运 行 。 ( 2 )从技术 上 ，确定保压压力 、保温温度是 技术 的关键 ，通过结构力学 、热学 、热力学 、传 热学等理论 ，可以解决这些技术问题 。 ( 3 )从工程施工 措施 角度而言 ，蜗壳外 围混 凝土在保 温保压状态下 完成浇 筑施工是可行 的 ， 所需要 的施工 设备 和监 测仪 器 能够满 足要求 。 ( 4 )随着科学技 术和计算机技 术的发展 ，保 温保压的理论计算 、结构设计和施工都将变得更 加容易和精确 ，更多 的工程实施也将为混凝土保 温保压浇筑技术提供更多的数据和经验。 作者简介 张忠辉 男 高级工程 师 中水北方勘测设 计研 究有 限责 任 公 司 天 津3 0 0 2 2 2 黄 建 文 男 工 程 师 中水 北 方 勘 测 设 计 研 究有 限 责 任 公 司 天 津3 0 0 2 2 2 6 结论和 建议 李永胜 男 工程师 中 水北方勘测设计 研究有限责 任公 ( 1 )从理论上分析 ，蜗壳外 围混凝 土浇筑应 司天津3 0 0 2 2 2 该在保 温保压情况下 完成 ，保 温保 压措施不但有 ( 收稿日 期 2 0 4 0 6 2 ) 利于蜗壳和混凝 土合理的联合受力 ，而且可 以确