第３６卷第３Ｂ期２００３年１ ２月 工学版）武汉大学学报（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶｏｌ． ３６ Ｎｏ． ３ＢＤｅｃ．２００３ 文章编号：１６７１一８８４４（２００３）３Ｂ一ｉｌｌ一０２高坝洲水电站预应力钢筋混凝土蜗壳结构设计与研究 王津，陈安庆，袁桂兰（长江水利委员会设计院，湖北武汉４３００１０）摘要：高坝洲水电站采用预应力钢筋混凝土蜗壳结构，在国内河床式电站中尚属首例，其效益对高坝洲水电站建设是巨大的，而且为中高工作水头的水电站蜗壳结构设计，以及承受较高压力的混凝土压力容器结构的设计，提供了一条新的途径，其影响是深远的，具有良好的经济价值和社会价值．关键词： ％Ｇ ｋ电站；预应力钢筋混凝土蜗炭；预应力锚索；中图分类号： ＴＶ ３３文献标识码：：ＡＤｅ ｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｇａｏｂａｚｈｏｕ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ’ｓｐｒ ｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｂａｒ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｎａｉｌ ｃａｓｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＷＡＮＧ Ｊｉｎ， ＣＨＥＮ Ａｎ－ｐｉｎｇ， ＹＵＡＮ Ｇｕｉ－ｌａｎ（ Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ｗｕｈａｎ ４３００１０， Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｇａｏｂａｚｈｏｕ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ｈａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｒｔｅ ｓｎａｉｌ ｃａｓｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏ ｆ ｐｒｅｓｔｅｒｓｓｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｅｒｉｎｆｏｒｃ－ｉｎｇ ｂａｒ， ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｔｉｍｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｒｉｖｅｒｂｅｄ－ｓｔｙｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ． Ｉｔ ｈａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｇｅｒａｔ ｂｅｎｅｆｉｔ ｉｎ ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｇａｏｂａｚｈｏｕ Ｈｙｄｏｒｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｈａｓ ｐｏｒｖｉｄｅｄ ａ ｎｅｗ ｗａｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｏｆ ａ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ＇ｓ ｓｎａｉｌ ｃａｓｉｎｇ ｏｆ ｍｅｄｉｕｍ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｗｏｒｋｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｈｅａｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｏｎｃｅｒｔｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔａｉｎｅｒｗｈｉｃｈ ｂｅａｒ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｉｔ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｆａｒ－ｒｅａｃｈｉｎｇ ｉｎｌｆｕｅｎｃｅ ａｓ ｗｅｌ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｇａｏｂａｚｈｏｕ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ； ｃｏｎｃｅｒｔｅ ｓｎａｉｌ ｃａｓｉｎｇ ｏｆ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｅｒｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｂａｒ； ｐｒｅｓｔｅｒｓｓｉｎｇ ａｎ－ｃｈｏｒ ｏｒｐｅ１ｊ本二止Ｗ ＪＬ二 ｅＮｔｔｒＣ 。一二。。二辛二山一蕊篇、秦宝，程分两期施工， 一期施工左岸电厂、泄洪深孔坝段 ’．抑￣高坝洲水利枢纽是综合开发清江水利资源的 和左岸非溢流坝段，二期施工右岸，修筑溢流表孔坝段、升船机和右岸非溢流坝段．１９９９年５月第一第一级水利工程，位于湖北省宜都市郊，在清江与长江交汇处的上游１２ ｋｍ，其上游５０ ｋｍ处为已投丁万个二二二布份二厂丁．二二．”：二刃．二几二二万：产发电的隔河岩水电站．高坝洲水利枢纽建筑物包括挡水坝、泄洪消能建筑物、３００ ｔ级升船机和一座装机容量为２５２ ＭＷ的河床式水电站．高坝洲水电站装机３台， 选用轴流式水轮发电机组，单机额定出力８４ ＭＷ，水轮机蜗壳为混凝土结构，包角２１００，流道范围最大平面宽度１６．４ ｍ，流道断面为不对称的梯形结构，进口断面最大高度１０ ｍ，蜗壳顶板为水轮机层，是机墩的支承结构．工台机组投产发电，目前整个工程已建设完毕．，二。士、拍。小，。。、二、相，：，２壳乡否，式及１ａ是．出“叮“ｌ ｕ￣’一’犷 ｒ－ｒＺ－｝’Ｊ￣”Ｊ￣ ｗ ２．１水轮机蜗壳结构特点高坝洲水电站机组工作水头范围为２２．３一４０ｍ，处于低水头向高水头过渡区间，适用的机型有轴流式和混流式两种．在机型比较中，经分析认为，适用于高坝洲水头的混流式水轮机仅有一些旧型号的转轮，参数水平不够理想，相对而言，轴流式水轮机技术参数略优，确定采用轴流式水轮机机收稿日期二２００３一１２一０１作者简介：王津，男，工程师，从事水工结构的设计等工作．武汉大学学报（工学版）２００３型．其配套为混凝土蜗壳，进口断面高１０ｍ，底板高程为２８．９３ ｍ，按设计正常高水位８０ ｍ计，底板作用水头５１．０７ ｍ，计水垂压力后为５５．０７ ｍ．由于水头高，规模大，采用混凝土结构温度荷载不容忽视，防渗要求严格，再加上蜗壳结构本身具有高侧墙， 蜗壳是水轮机的输水流道结构，上接电站进口流道，下通沿内侧座环的导叶口门，蜗壳包角采用２１００，为不对称梯形断面，内侧为固定导叶及与其相连的上锥体和下锥体；外侧直立边墙，进口处墙厚３．８ ｍ，最大净高１０ ｍ，顶板为一环状厚板，最小大跨度顶板，不对称梯形断面，受力条件极差，因而蜗壳设计成为高坝洲水电站重大技术问题之一，而解决这一重要问题的关键在于蜗壳结构的选型．２．２蜗壳结构选型根据蜗壳的工作特点， 曾作过如下三种型式的比较．（１） 普通钢筋混凝土蜗壳．为轴流式水轮机的一种常规结构型式，其进口流道断面跨度达１６．４ｍ．按常规方法设计，仅内壁一侧需配每米１９０３２的钢筋，按限裂要求则需配置每米２３０３２的钢筋，即按常规布筋一侧需布四层钢筋．若按此设计，不仅增加了工程费用，而且由于钢筋设置过密造成施工困难，对蜗壳的限裂及混凝土施工质量很不利． （２）钢衬钢筋混凝土蜗壳．设计中曾考虑过采用钢衬钢筋混凝土蜗壳，这种型式技术上是可行的，但在施工安装中有一定困难，并需占用一定的直线工期，不适应高坝洲水电站“短、平、快”施工进度的特点．再之，直立钢衬与混凝土之间的接触灌浆技术难度较高，若灌浆压力过高，钢衬容易变形，压力过低钢衬与混凝土之间有空隙，结合不好将是运行的隐患．（ ３）预应力钢筋混凝土蜗壳．预应力结构承载力高，防渗性能好，技术成熟，是一种使用性能好的结构，加上张拉锚固技术的不断完善，施工方便，在水利工程中应用广泛，但用于水轮机混凝土蜗壳上尚未见应用实例，需作专门的研究设计．综上所述， 三种蜗壳结构型式均可满足本电站的设计要求，经比较选定预应力钢筋混凝土蜗壳，这种型式施工简单，不占直线工期，可满足工程施工进度的要求．３预应力钢筋混凝土蜗壳的设计与研究 ３．１蜗壳的设计条件高坝洲枢纽工程规模为大（２）型， 枢纽等级为二等，蜗壳作为电站厂房永久性主要建筑物和设施为二级，设计洪水重现期为１００年，校核洪水重现期为１０００年．厚度５．５５ ｍ，流道范围最大平面宽度１６．４ ｍ，底部是大体积混凝土，进口断面底高程为２８． ９３ ｍ．为了改善蜗壳运行工况下的受力条件，机组段横缝上、下两层永久止水高程分别定为４０．７ ｍ和４０．１ｍ，以便利用下游缝水位反压，平衡蜗壳内部分内水压力． 蜗壳按限裂设计，顶板及下游侧墙允许裂缝宽度为０． ２５ ｍｍ，其余侧墙为０．３ ｍｍ．３．２蜗壳预应力锚索的设计３．２．１蜗壳预应力描索布置（１） 环向锚索布置 根据环向锚索张拉锚固端的位置不同，大致有两种布置方式，第一种锚固于进口段流道的边墩内侧；第二种锚固于宽槽下游壁面．第一种锚固方式锚索需穿过预留的宽槽方可 锚于进口段墩壁．为使锚固端的预压力到达蜗壳侧墙，张拉锚固需等宽槽回填后进行．其时，蜗壳随其顶板浇筑已成为一空间结构，曲线束径向挤压力和切向拖曳力对内水压力的平衡作用将因顶板约束而受到一定程度的削弱．第二种锚固方式锚索锚固于宽槽下游壁面，由 于锚索张拉锚固可在蜗壳顶板浇筑前进行，因此平衡内水压力效果好．其缺点是宽槽上游一定范围的墙段未能得到锚固端预压力加固．预应力锚索经优选组合， 最后选定环向沿高程布置８束，４束锚于宽槽，４束锚于进口段边墩墩壁．（ ２）竖向锚索布置 竖向锚索顺水流向布置９根，锚固方式为两种：沿侧墙内侧向上直达蜗壳顶板上表面后锚固；锚索沿侧墙内侧上升，然后弯人蜗壳顶板，再锚于顶板上表面，后一种方式，由于锚索在顶板与侧墙的相交节点范围形成弯段产生了向内的挤压力，对改善侧墙下端截面受力有利，但使侧墙上端和顶板截面增加正弯矩，顶板还因锚固端预压力作用而全段受拉，总体效果差，而前一种方式着重于改善侧墙受力，工作明确，布置简单，故选用于施工．（下转第１１ ６页）武汉大学学报（工学版）２００３大的一个，其开挖断面尺寸为２．０ ｍｘ２．０ ｍ，深度筑物在爆破过程中的应力、变形、扬压力和渗透量为１６．０ｍ．电梯井井壁距离边墙内侧仅１．５ ｍ．同时的变化情况，通过爆破前后同一部位测试成果的对也是对护坦封闭帷幕灌浆和抽排水廊道的安全起比分析，来评价爆破对枢纽主要建筑物的影响程主要控制作用的部位．度．动态监测系采用光线示波器或磁带机等记录设为减少爆破对护坦帷幕灌浆和排水廊道的振 备和速度计、加速度计以及拾震器等传感设备组成动影响，保证侧墙的稳定和安全，电梯井的开挖采的测试系统测定各建筑物以及其有关设施的质点取直径２ｍ的大口径钻机钻孔形成临空面后，再进振动速度或加速度，振动观测的判据以经过批准的行钻孔爆破扩挖形成最终设计断面．“爆破安全控制标准”为准．另外，为评价爆破对保（ ４）尾水出口孔的开挖．尾水出口孔的开挖选留区混凝土的影响程度，还进行了声波测量和动应择在枯水期低水位时进行，并把其分为水上和水下力测试．两部分施工．水下一次爆除的施工，采用周边预裂、监测表明， 各项控制参数均在允许范围之内，手风钻钻斜孔微差爆破的方法进行．二江电厂基本未因自备电厂的开挖影响生产，二江４施工安全监测电厂的七号机组、护坦帷幕、高压输电线铁塔以及二江泄水闸集控室等主要部位均未受到影响，实践 为确保邻近建筑物的安全，了解爆破对建筑物证明，所进行的爆破试验和具体实施方案是成功的影响情况，爆破时对邻近所有建筑物及其主要设的，技术措施是可行的，为利用二江厂闸导墙的排施进行了必要的施工安全监测．漂孔改建为自备电厂创造了条件，取得了显著的经监测的手段分为静态和动态两种． 静态监测是济效益．利用葛洲坝水利枢纽的内、外观设备，监测枢纽建（上接第１１２页）限元计算和１：巧的蜗壳仿真模型试验．以此对预３．２．２结构计算与分析应力蜗壳结构的效果和整体应力状况进行验证，从（１） 计算假设．传统的结构计算方法按“Ｉ＂，型中优化预应力结构方案，试验表明蜗壳采用预应力平面框架进行计算，这种方法忽略了蜗壳环向作结构后，在任何工况下均处于弹性工作状况，满足用，计算的配筋量大．本工程的蜗壳计算对传统计了混凝土限裂要求，具有较大的安全度和可靠度，算方法进行了如下改进：①平面问题：假设为“ＩＴ设计研究达到了预期的目的．型结构；②环向作用假设：根据竖向平面与环向平面交点变形一致条件，布置一定数量的弹性杆；③４结语计算轴线假设：以结构中心为轴线；④约束假设忽 由于采用预应力结构代替原定蜗壳加设钢板略水轮机井对蜗壳顶板的弹性约束，侧墙和下锥体衬砌的方案，不仅节省了工程投资，更重要的是省下端分别与大体积混凝土相接，均取为固端．去了钢衬制作、安装和接触灌浆等工序，简化了施（ ２）荷载．水平预应力荷载以集中力形式加人，工作业程序，大大地加快了施工进度，为高坝洲电竖向预应力荷载以有效预压力按单宽换算为集中站第一台机组提前发电作出了重要贡献．力和集中力偶．计算中考虑节点刚域．高坝洲水电站采用后张预应力钢筋混凝土蜗 （ ３）计算成果分析．从计算成果分析，控制截面壳结构，其效益不仅对高坝洲水电站建设是巨大为墙体的下部固端，相应控制工况为温升情况．的，而且为中高工作水头的电站蜗壳结构设计，以截面的配筋是正常使用工况的限裂条件控制 及承受较高压力的混凝土压力容器的结构设计提而不是强度条件．适于采用预应力结构，由此验证供了一条新途径，其影响是深远的，具有良好的经了预应力钢筋混凝土蜗壳结构设计的合理性．济价值和社会价值．本工程除按常规设计计算外， 还进行了三维有
