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聚丙烯纤维材料在尼尔基厂房混凝土蜗壳中的应

2017-08-06 02:06 摘要：测试和应用了低掺率聚丙烯纤维混凝土的抗裂和抗渗性能。通过和普通混凝土对比后得出结论：低掺率的聚丙烯纤维能有效提高混凝土的限裂和抗渗能力，改善钢筋混凝土蜗壳的抗渗效果，说明了聚丙烯纤维对大级配混凝土的适应性。
关键词：聚丙烯纤维混凝土　抗裂限裂　抗渗　混凝土级配 一、概述尼尔基水利枢纽位于黑龙江省与内蒙古自治区交界的嫩江干流上，在内蒙古自治区莫力达瓦达斡尔族自治旗境内。枢纽工程建筑物等级为i等1级。发电部分为河床式厂房，装有4台62.5mw的轴流转浆式水轮发电机组，单机引用流量326.9m3/s，总装机容量250mw。主厂房尺寸（长×宽×高）为：149×72×64.65m，机组间距25m，安装间布置在主机间左侧端部，4台机组间及主机间与安装场间各设一道结构缝。蜗壳混凝土浇筑方量约2.9×104m3左右。水电站机组工作水头范围为9.91m～33.2m。蜗壳采用钢筋混凝土蜗壳，流道范围内最大平面宽度18.4m，进口断面最大高度9.98m，蜗壳顶板厚度2.60m，顶板底面设置有防渗钢板。按水库正常蓄水位216.00m计，底板作用水头为46.37m，最大压力上升56.0m，流道断面尺寸及内水压力均较大。
二、蜗壳结构混凝土开裂分析与评价钢筋混凝土蜗壳的限裂和防渗一直是设计难点。根据当前国内现行规范的要求，钢筋混凝土蜗壳设计不能满足规定的限裂要求时，蜗壳内壁应增设防渗层。而在结构方面，针对钢筋混凝土蜗壳结构的内力分析，仍然以简化为平面框架计算的方法为主，大型蜗壳结构的内力分析则辅以三维有限元计算或结构模型试验的方式，而直接以应力分析成果配置钢筋与现行设计规范不相匹配。混凝土蜗壳为空间结构，断面为不规则梯形。尤其是大型蜗壳，进口段跨度大，侧墙高，受力条件复杂。针对尼尔基厂房设计，蜗壳结构设计时进行了相应的平面结构及三维有限元结构计算分析，且顶板底部设有钢板。计算分析表明，蜗壳顶板和侧墙的应力较大，尤其是进口一定角度内的断面跨度较大，应力水平较高。局部应力集中问题严重，尤其是在角隅处的应力集中明显。最大应力大大超出了混凝土的抗拉强度，必须进行大量的结构配筋和抗（限）裂配筋。另外，蜗壳顶部钢板的结构作用不明确且不显著。由于按有限元计算的应力进行配筋尚属非规范方法，蜗壳结构配筋设计系结合应力图形和平面结构计算分析进行的。对于大型混凝土蜗壳，内水压力作用下的应力均较高，容易引起混凝土开裂。另外，施工期混凝土的离析、塑性变形、碳化收缩、干缩、温升及运行期水温的变化也是蜗壳混凝土裂缝的主要诱因。因此，除混凝土强度设计外，混凝土蜗壳的设计主要着眼于抗裂和限裂是十分必要的。尼尔基发电厂房为河床式厂房，其蜗壳结构特性与东北地区同等规模的红石、太平湾等大型河床式电站厂房进行比较可知，尼尔基厂房蜗壳结构净跨尺寸及内水压力均为最大，而顶板则是三者中最薄的。根据对上述已建工程的调查研究结果表明（见表－1），各电站的混凝土蜗壳均存在不同程度的渗漏现象。我们知道，大型混凝土蜗壳结构不仅需要进行各种工况的结构分析，而且需要进行结构本体的抗裂和限裂验算。而限裂要求对于水头（或水力梯度）大小不同的结构，因其各自结构尺寸和内压大小的不同，通过计算有的能够达到，如太平湾厂房的混凝土蜗壳，而达到符合规范限裂要求的代价是配置限裂钢筋；有的则达不到，如红石厂房的混凝土蜗壳，故此该厂房的蜗壳采用了全钢衬护砌防渗，但由于未对结构进行限裂配筋，另由于蜗壳浇筑时侧墙钢衬和混凝土的密实性、整体性较差，故而导致该电站蜗壳在运行期间产生钢衬起鼓和漏水，进而直接影响机组的正常运行。后对其进行相应的补强处理后才得以正常使用。但是，上述混凝土蜗壳仍然存在不同程度的渗漏问题。实践证明，由于蜗壳结构的特殊性，限裂钢筋直径、间距受到结构配筋及混凝土级配、浇筑施工的限制，总体的限裂效果并不好，所以混凝土蜗壳出现开裂的情况仍是较多的，也是较为普遍的。由于裂缝的产生，蜗壳渗漏成为设计和施工的一大难题。故此，在混凝土蜗壳一定范围采用抗（限）裂纤维材料成为必要和经济的选择和尝试，经初步在金哨水电站工程混凝土蜗壳顶板部位的局部试用表明，聚丙烯纤维混凝土可以较为有效地防止裂缝的出现和扩展。表－1 东北地区大型河床电站混凝土蜗壳比较表