導(dǎo)語：廠房混凝土蝸殼應(yīng)用論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

一、概述

尼爾基水利樞紐位于黑龍江省與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界的嫩江干流上，在內(nèi)蒙古自治區(qū)莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗境內(nèi)。樞紐工程建筑物等級(jí)為I等1級(jí)。發(fā)電部分為河床式廠房，裝有4臺(tái)62.5MW的軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)引用流量326.9m3/s，總裝機(jī)容量250MW。主廠房尺寸（長×寬×高）為：149×72×64.65m，機(jī)組間距25m，安裝間布置在主機(jī)間左側(cè)端部，4臺(tái)機(jī)組間及主機(jī)間與安裝場間各設(shè)一道結(jié)構(gòu)縫。蝸殼混凝土澆筑方量約2.9×104m3左右。

水電站機(jī)組工作水頭范圍為9.91m～33.2m。蝸殼采用鋼筋混凝土蝸殼，流道范圍內(nèi)最大平面寬度18.4m，進(jìn)口斷面最大高度9.98m，蝸殼頂板厚度2.60m，頂板底面設(shè)置有防滲鋼板。按水庫正常蓄水位216.00m計(jì)，底板作用水頭為46.37m，最大壓力上升56.0m，流道斷面尺寸及內(nèi)水壓力均較大。

二、蝸殼結(jié)構(gòu)混凝土開裂分析與評(píng)價(jià)

鋼筋混凝土蝸殼的限裂和防滲一直是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范的要求，鋼筋混凝土蝸殼設(shè)計(jì)不能滿足規(guī)定的限裂要求時(shí)，蝸殼內(nèi)壁應(yīng)增設(shè)防滲層。而在結(jié)構(gòu)方面，針對(duì)鋼筋混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，仍然以簡化為平面框架計(jì)算的方法為主，大型蝸殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析則輔以三維有限元計(jì)算或結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)的方式，而直接以應(yīng)力分析成果配置鋼筋與現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范不相匹配。

混凝土蝸殼為空間結(jié)構(gòu)，斷面為不規(guī)則梯形。尤其是大型蝸殼，進(jìn)口段跨度大，側(cè)墻高，受力條件復(fù)雜。針對(duì)尼爾基廠房設(shè)計(jì)，蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的平面結(jié)構(gòu)及三維有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，且頂板底部設(shè)有鋼板。計(jì)算分析表明，蝸殼頂板和側(cè)墻的應(yīng)力較大，尤其是進(jìn)口一定角度內(nèi)的斷面跨度較大，應(yīng)力水平較高。

局部應(yīng)力集中問題嚴(yán)重，尤其是在角隅處的應(yīng)力集中明顯。最大應(yīng)力大大超出了混凝土的抗拉強(qiáng)度，必須進(jìn)行大量的結(jié)構(gòu)配筋和抗（限）裂配筋。另外，蝸殼頂部鋼板的結(jié)構(gòu)作用不明確且不顯著。由于按有限元計(jì)算的應(yīng)力進(jìn)行配筋尚屬非規(guī)范方法，蝸殼結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)系結(jié)合應(yīng)力圖形和平面結(jié)構(gòu)計(jì)算分析進(jìn)行的。

對(duì)于大型混凝土蝸殼，內(nèi)水壓力作用下的應(yīng)力均較高，容易引起混凝土開裂。另外，施工期混凝土的離析、塑性變形、碳化收縮、干縮、溫升及運(yùn)行期水溫的變化也是蝸殼混凝土裂縫的主要誘因。因此，除混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)外，混凝土蝸殼的設(shè)計(jì)主要著眼于抗裂和限裂是十分必要的。

尼爾基發(fā)電廠房為河床式廠房，其蝸殼結(jié)構(gòu)特性與東北地區(qū)同等規(guī)模的紅石、太平灣等大型河床式電站廠房進(jìn)行比較可知，尼爾基廠房蝸殼結(jié)構(gòu)凈跨尺寸及內(nèi)水壓力均為最大，而頂板則是三者中最薄的。根據(jù)對(duì)上述已建工程的調(diào)查研究結(jié)果表明（見表－1），各電站的混凝土蝸殼均存在不同程度的滲漏現(xiàn)象。我們知道，大型混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)不僅需要進(jìn)行各種工況的結(jié)構(gòu)分析，而且需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)本體的抗裂和限裂驗(yàn)算。而限裂要求對(duì)于水頭（或水力梯度）大小不同的結(jié)構(gòu)，因其各自結(jié)構(gòu)尺寸和內(nèi)壓大小的不同，通過計(jì)算有的能夠達(dá)到，如太平灣廠房的混凝土蝸殼，而達(dá)到符合規(guī)范限裂要求的代價(jià)是配置限裂鋼筋；有的則達(dá)不到，如紅石廠房的混凝土蝸殼，故此該廠房的蝸殼采用了全鋼襯護(hù)砌防滲，但由于未對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行限裂配筋，另由于蝸殼澆筑時(shí)側(cè)墻鋼襯和混凝土的密實(shí)性、整體性較差，故而導(dǎo)致該電站蝸殼在運(yùn)行期間產(chǎn)生鋼襯起鼓和漏水，進(jìn)而直接影響機(jī)組的正常運(yùn)行。后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)處理后才得以正常使用。但是，上述混凝土蝸殼仍然存在不同程度的滲漏問題。實(shí)踐證明，由于蝸殼結(jié)構(gòu)的特殊性，限裂鋼筋直徑、間距受到結(jié)構(gòu)配筋及混凝土級(jí)配、澆筑施工的限制，總體的限裂效果并不好，所以混凝土蝸殼出現(xiàn)開裂的情況仍是較多的，也是較為普遍的。由于裂縫的產(chǎn)生，蝸殼滲漏成為設(shè)計(jì)和施工的一大難題。故此，在混凝土蝸殼一定范圍采用抗（限）裂纖維材料成為必要和經(jīng)濟(jì)的選擇和嘗試，經(jīng)初步在金哨水電站工程混凝土蝸殼頂板部位的局部試用表明，聚丙烯纖維混凝土可以較為有效地防止裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展。

表－1東北地區(qū)大型河床電站混凝土蝸殼比較表

電站名稱

特性指標(biāo)

尼爾基水利樞紐

發(fā)電廠房

紅石水電站

發(fā)電廠房

太平灣水電站

發(fā)電廠房

備注

單機(jī)容量MW

63.8

50

47.5

單機(jī)流量m3/s

317.5

251

455

水輪機(jī)型號(hào)

ZZA883-LH-640

ZDA190-LH-600

ZZ560a-LH-800

最大水頭m

33.2

25.6

15.5

最小水頭m

9.91

22.8

12.3

設(shè)計(jì)水頭m

22.0

23.3

12.6

蝸殼內(nèi)最大壓力上升m

56.0

38.8

35.4

機(jī)組段長度m

25.0

22.0

28.0

邊墻厚度m

3.3

3.0

2.5

頂板厚度m

2.57

3.3

4.43

中墩厚度m

3.0

2.4

2.5

蝸殼進(jìn)口處單孔凈跨m

7.7

6.8

6.0

蝸殼最大高度m

10.0

9.3

12.0

有否鋼襯

僅頂板有

有*

無

*88年#2機(jī)鋼襯漏水并起鼓經(jīng)處理

配筋控制情況

限裂

限裂*

限裂

*未考慮限裂（加鋼襯）

滲漏情況

在建

有

有

有否加纖維

有

無

無

三、聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的性能分析

目前國內(nèi)在水利水電行業(yè)應(yīng)用較為廣泛的主要為鋼纖維混凝土，鋼纖維作為一種較為實(shí)用且規(guī)范性的材料，其性能指標(biāo)是優(yōu)越的，應(yīng)用及推廣均有章可循，但因其在混凝土單位體積中的造價(jià)較高且現(xiàn)行規(guī)范對(duì)混凝土級(jí)配有較為嚴(yán)格的要求，故難以適應(yīng)較大體積的混凝土澆注。而作為一種造價(jià)更為低廉的混凝土新型增強(qiáng)材料——聚丙烯纖維也同樣具有與鋼纖維一樣好的性能指標(biāo)。

表－2CTAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維性能

纖維長度

19mm

當(dāng)量直徑

48μm

密度

0.91g/m3

抗拉強(qiáng)度

≥400MPa

熔點(diǎn)

約160℃

彈性模量

≥3500MPa

燃點(diǎn)

約580℃

斷裂延伸率

15—25%

導(dǎo)熱性

極低

安全性

無毒材料

抗堿能力

PH=14的NaOH溶液,60℃水浴,48h后抗拉強(qiáng)度的保持率大于99%

抗老化性

纖維經(jīng)過了特殊的抗老化處理

抗低溫性

經(jīng)-78℃實(shí)驗(yàn)檢測纖維性能無變化

根據(jù)國內(nèi)一些試驗(yàn)室以往所作的試驗(yàn)表明，用聚丙烯纖維來控制混凝土裂縫，其性能主要與其在混凝土中的體積率有關(guān)，其摻量遠(yuǎn)低于鋼纖維所要求的體積率（0.6%-2%），當(dāng)體積率達(dá)到0.1%時(shí)，混凝土收縮值大幅降低，當(dāng)聚丙烯纖維體積率大于0.3%便會(huì)產(chǎn)生許多不可見的裂紋體系。與不摻聚丙烯纖維的情況相比，裂縫寬度大大減小，阻裂能力可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，聚丙烯纖維具有很高的抗堿性能，在堿性水泥基中可長期保持它的強(qiáng)度，長期暴露于水中其材料強(qiáng)度并不降低。另外根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)資料顯示，國內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CTAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維在-78℃的嚴(yán)寒氣溫中仍然能夠保持上述性能。

參照國內(nèi)同行業(yè)各試驗(yàn)室的試驗(yàn)方法，由中水六局試驗(yàn)室針對(duì)中國紡織科學(xué)研究院提供的CTAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維樣品進(jìn)行了纖維增強(qiáng)混凝土的各項(xiàng)性能試驗(yàn)。原材料如下：水泥采用撫順?biāo)鄰S生產(chǎn)的＃525中熱水泥，粗、細(xì)骨料采用篩分系統(tǒng)生產(chǎn)的人工碎石和天然砂，外加劑采用引起減水劑，CTAFiber混凝土專用聚丙烯纖維摻量為每立方米混凝土0.7kg，CTAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維性能見表3。試配混凝土配合比及試驗(yàn)成果見表4、5。

表－3鋼纖維及聚丙烯纖維在混凝土中的體積率比較

材料

比重

單位體積用量

推薦用量（kg/m3）

適用范圍

鋼纖維

7.85

0.6%

~2%

80~120

一級(jí)配混凝土

聚丙烯纖維

0.91

0.1%

0.9

一、二級(jí)配及以上

表－4試配混凝土配合比

樣品

設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)

砂率（%）

水灰比w/c

坍落度

（cm）

每立方米混凝土用量（kg/m3）

外加劑

(%)

水泥

砂

粗骨料

水

5-20mm

20-40mm

摻纖維

C25W6

40

0.42

16.4

359

731

548

548

150

0.7

不摻纖維

C25W6

40

0.42

17.2

359

734

550

550

151

0.7

表－5試配混凝土性能試驗(yàn)成果

樣品

含氣量

(%)

抗壓強(qiáng)度

MPa

劈拉強(qiáng)度

MPa

極限拉伸值

10-4

彈性模量

104MPa

抗?jié)B標(biāo)號(hào)

7d

28d

90d

7d

28d

90d

28d

90d

7d

28d

90d

28d

摻纖維

3.45

31.9

37.3

39.8

2.3

3.48

4.68

1.14

1.28

3.06

3.35

4.13

≥10

不摻纖維

3.26

27.9

34.2

36.2

2.2

2.88

3.98

0.96

1.12

3.16

3.46

4.25

≤8

抗裂試驗(yàn)用膠砂的重量配合比為：水泥1，砂2.8。水膠比0.55，CTAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維摻量0.7kg/m3，板狀試件尺寸610×914×19mm，成型后在28±20℃、相對(duì)濕度70%的試驗(yàn)室內(nèi)用風(fēng)扇吹1.5小時(shí)。然后置于40±3℃、相對(duì)濕度50%、風(fēng)速2.5m/s的環(huán)境中。在24小時(shí)齡期裂縫基本穩(wěn)定后進(jìn)行觀測。其觀測結(jié)果見表6。從聚丙烯纖維混凝土抗裂機(jī)理上分析，摻入聚丙烯纖維后，由于其亂向均勻分布的特點(diǎn)，起到微配筋作用和保水作用，大大減緩了由于骨料的快速失水和混凝土塑性收縮及溫度收縮而產(chǎn)生的裂縫，且延緩了塑性收縮裂縫出現(xiàn)的時(shí)間。同時(shí)，在混凝土開裂后，纖維的抗拉作用突顯，有效地阻止了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。試驗(yàn)表明，混凝土裂縫面積、裂縫寬度及失水速率均隨著纖維體積率的增大而顯著降低，說明摻入聚丙烯纖維后能夠有效地阻滯混凝土內(nèi)部塑性裂縫并提高混凝土的抗裂性能。

表6膠砂開裂試驗(yàn)成果

樣品

裂縫寬度A

(mm)

裂縫長度B

(mm)

裂縫面積A×B

(mm)

A×B

加和值

對(duì)比百分率

(%)

摻纖維

2.0

1.0

307

307

504.5

85

0.5

395

197.5

不摻纖維

2.0

1.0

373

373

593.3

100

0.5

440.6

220.3

從以上試驗(yàn)成果中可以看出，在混凝土中添加低摻率的聚丙烯纖維后，纖維對(duì)混凝土拌合物含氣量影響不大，坍落度雖然有所降低，但其和易性得到改善?；炷恋目沽褟?qiáng)度有顯著提高，且其抗壓強(qiáng)度（特別是早期強(qiáng)度）得到提高。由于纖維抑制了混凝土內(nèi)部的自由水蒸發(fā)，亂向均勻分布在混凝土中的大量纖維起了所謂承托骨料的作用，降低了混凝土表面的析水與集料的沉降，從而使混凝土中的孔隙大大降低，此外，由于混凝土中纖維的物理作用，大大減少了收縮裂縫尤其是連通裂縫的產(chǎn)生，因而減少了滲水通道，有效提高了混凝土抗?jié)B能力以及變形能力。通過對(duì)混凝土試件進(jìn)行的打壓試驗(yàn)，抗?jié)B標(biāo)號(hào)可提高一個(gè)等級(jí)，從而使混凝土的抗?jié)B性能得到大大改善。

四、纖維在混凝土蝸殼中的應(yīng)用和施工

根據(jù)試驗(yàn)室所做的實(shí)驗(yàn)工作，在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到摻入聚丙烯纖維后能夠顯著提高抗裂和抗?jié)B性能的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中將原要求的C25W8降低到C25W6，將纖維摻率調(diào)整到0.9kg/m3。在蝸殼澆筑期間，對(duì)現(xiàn)場各結(jié)構(gòu)部位不同級(jí)配（二級(jí)配水泥用量343kg，水灰比0.42，骨料最大粒徑40mm、三級(jí)配水泥用量297kg，水灰比0.40，骨料最大粒徑80mm，坍落度7-9cm）混凝土進(jìn)行了大量的取樣試驗(yàn)，從后期的生產(chǎn)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可知（數(shù)據(jù)過多略），C25W6二、三級(jí)配混凝土的28天平均抗壓強(qiáng)度達(dá)均到了36.5MPa以上，抗?jié)B標(biāo)號(hào)均達(dá)到和超過W12，與不摻纖維的混凝土試件相比抗?jié)B能力提高了60%以上。由于纖維在大體積混凝土設(shè)計(jì)和施工中處于初步嘗試階段，我們未對(duì)混凝土的抗?jié)B指標(biāo)進(jìn)行下調(diào)。

在施工工藝方面，聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土對(duì)拌合及施工工藝沒有特別要求，由于聚丙烯纖維在混凝土當(dāng)中的作用是以物理方式體現(xiàn)的，本身不與混合料及外加劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，所以在混凝土拌合時(shí)添加如引氣、減水、早強(qiáng)……等等外加劑產(chǎn)品并不對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土構(gòu)成材料性質(zhì)方面的影響，所以無須考慮添加外加劑因素，但添加聚丙烯纖維后的混凝土需要保證一定的拌合時(shí)間。拌合時(shí)間以纖維能在混凝土中均勻分布為準(zhǔn)，小型拌合機(jī)械拌合時(shí)間一般為2-3分鐘左右。而對(duì)于采用大型拌合系統(tǒng)來拌合的混凝土，則時(shí)間要短得多。在尼爾基工程實(shí)踐中，在拌合系統(tǒng)內(nèi)將纖維預(yù)先加入到混凝土中，為保證纖維在混凝土中的均勻分布，拌合時(shí)間較一般混凝土（60s）的拌合時(shí)間延長了30s左右。在混凝土澆筑質(zhì)量方面，為避免大體積混凝土內(nèi)部溫升過高而產(chǎn)生過大的塑性收縮變形，盡管添加了聚丙烯纖維作為增強(qiáng)材料，對(duì)于混凝土的澆筑分層分塊仍需按照有關(guān)規(guī)程規(guī)范嚴(yán)格、細(xì)致地進(jìn)行劃分。

五、結(jié)語

目前，國內(nèi)水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算是按照荷載的長、短期效應(yīng)，根據(jù)結(jié)構(gòu)受拉鋼筋以及混凝土自身的特性進(jìn)行抗裂和限裂驗(yàn)算的。由于在實(shí)際的設(shè)計(jì)和施工當(dāng)中，限裂鋼筋受結(jié)構(gòu)配筋以及鋼筋直徑、間距、保護(hù)層和骨料粒徑等多方面因素的影響，鋼筋不可能貼近結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）表面細(xì)密布置；而在溫度場變化及干縮變形較大的大體積混凝土結(jié)構(gòu)中配置的溫度鋼筋，也不能形成大面積的拉結(jié)作用，故而不能有效的提高抗裂性能。由于考慮限裂因素，使得混凝土單位體積含鋼量大大增加，而鋼筋對(duì)有效受拉混凝土截面之外的裂縫不起控制作用，因而增大含鋼率并達(dá)不到大范圍控制混凝土裂縫產(chǎn)生的目的。排除施工質(zhì)量問題，上述實(shí)際問題應(yīng)該是很多類似于混凝土蝸殼等流道結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)滿足限裂要求后仍然存在滲漏的原因。

低摻率改性聚丙烯纖維在蝸殼混凝土中，由于其在混凝土中能夠細(xì)密分布，有顯著的阻裂效果，并在混凝土進(jìn)入塑性期間有效地降低和減小混凝土收縮產(chǎn)生的裂縫。試驗(yàn)表明，低摻率改性聚丙烯纖維混凝土，由于其彈性模量的適度降低，提高了混凝土的變形能力，而不降低（實(shí)際上提高了）其抗壓強(qiáng)度。其在混凝土硬化后期抑制干縮裂縫開展并使裂縫變細(xì)的性能更大幅提高了混凝土的抗?jié)B能力和受力鋼筋的抗銹蝕能力。上述性能對(duì)提高大型蝸殼混凝土的施工質(zhì)量以及限裂、抗?jié)B等方面均具有非常好的實(shí)用性。

通過實(shí)驗(yàn)可以認(rèn)為，低摻率聚丙烯纖維混凝土較鋼纖維混凝土更能適用于二級(jí)配及其以上級(jí)配混凝土的生產(chǎn)和施工，由于改性聚丙烯纖維在混凝土中的摻率較低，其成本遠(yuǎn)低于含鋼率高的混凝土，且能達(dá)到和超過水工混凝土設(shè)計(jì)所要求的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)，尤其是抗?jié)B指標(biāo)具有較大的突破。這對(duì)于大型混凝土蝸殼及大型流道結(jié)構(gòu)的限裂以及抗?jié)B等方面的設(shè)計(jì)和施工更具實(shí)際意義和推廣價(jià)值。

參考資料及文獻(xiàn)：

1．石巖，抗裂合成纖維在尼爾基工程中的應(yīng)用，2003

2．中水六局試驗(yàn)室，混凝土使用配合比統(tǒng)計(jì)報(bào)告，2003

3．中水六局試驗(yàn)室，混凝土強(qiáng)度檢測報(bào)告，2003

4．馮乃謙主編，實(shí)用混凝土大全科學(xué)出版社，2001

5．F.Leonhart著，胡賢章等譯.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫與變形的驗(yàn)算.水利電力出版社，1983