李 捷 冉建西 徐 燕
(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院 烏魯木齊 830000)
在水利水電工程設(shè)計中,鋼岔管是引水發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)計的重點。因岔管屬于復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),受力復(fù)雜,當管材確定時,鋼岔管壁厚取值是否滿足應(yīng)力變形要求是設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
山口水利樞紐工程由混凝土拱壩、泄水建筑物、發(fā)電引水洞、調(diào)壓井、高壓管道和水電站廠房等建筑物組成。電站采用“一洞四機”的布置方式,裝機容量220MW,裝機 4臺(2×80MW+2×30MW),多年平均發(fā)電量6.43億 kW·h。
發(fā)電引水系統(tǒng)由引水渠、進口段、洞身段、高壓管道、調(diào)壓井、岔管和支管等組成。設(shè)計引水流量365.62m3/s,最大水頭79.4m,系統(tǒng)總長1115m。發(fā)電引水洞末端壓力鋼管,通過三次分岔,將一根主管分為四根支管接入主廠房內(nèi)。岔管采用600MPa高強鋼,1~3號岔管型式采用“卜”形月牙肋;岔管前接主管內(nèi)徑9.0m;支管為兩大兩小共4根,1號、2號支管內(nèi)徑3.2m,3號、4號支管內(nèi)徑5.2m(見圖1)。鋼材力學參數(shù)見表1,岔管鋼材允許應(yīng)力見表2。
圖1 岔管平面結(jié)構(gòu)圖(單位:mm)
鋼岔管均為埋藏式岔管,巖性為厚層—巨厚層狀灰白色二長片麻巖,圍巖分類為Ⅲ類,局部穩(wěn)定性差。岔管管徑較大,在洞內(nèi)安裝施工困難。鋼岔管是否考慮圍巖分擔率,是否滿足鋼材在施工及運行中的強度要求,是關(guān)注的重點。
圍巖彈性模量Ed=46.2GPa,單位彈性抗力K0=35-40MPa/cm,膨脹系數(shù) αd=1.0×10-6/℃,泊松比 μd=0.25,凈水頭(考慮調(diào)壓井最高涌浪水位)92m,設(shè)計內(nèi)水壓力(加水錘壓力)118.4m,水壓試驗壓力130.3m。
埋藏式岔管受力不同于明岔管。在埋藏式岔管實際運行中,圍巖與岔管是聯(lián)合受力,主要體現(xiàn)在兩個方面:一是在內(nèi)水壓力作用下,和地下埋藏式圓管一樣,圍巖分擔部分內(nèi)水壓力,減少鋼岔管所承擔的荷載;二是由于岔管結(jié)構(gòu)變形是不均勻的,受到圍巖的約束作用,限制了岔管的變位,使其變形均勻化,消減岔管折角點的峰值應(yīng)力,使岔管應(yīng)力分布均勻化,有利于材料強度的充分發(fā)揮。
表1 鋼材力學性能參數(shù)
表2 岔管鋼材允許應(yīng)力 單位:MPa
對埋藏式岔管的設(shè)計,可采用不同的應(yīng)力控制標準進行受力分析。應(yīng)力控制標準可采用埋藏式條件下、明岔管原則、明岔管條件下岔管結(jié)構(gòu)計算。
為了定量地描述圍巖與岔管結(jié)構(gòu)聯(lián)合受力以及其對內(nèi)水壓力的分擔作用,引入圍巖分擔率:
式中 α——圍巖分擔率;
E1——明岔管結(jié)構(gòu)平均等效應(yīng)力,MPa;
E2——埋藏式岔管結(jié)構(gòu)平均等效應(yīng)力,MPa。埋藏式岔管的應(yīng)力狀態(tài)主要取決于圍巖變形參數(shù)及縫隙值的大小,合理確定圍巖變形參數(shù)及縫隙值是埋藏式岔管設(shè)計的關(guān)鍵。
近年來通過鋼岔管原型觀測試驗資料分析發(fā)現(xiàn)岔管應(yīng)力并不高,如對湖南的花木橋電站三梁岔管、西洱河二級電站無梁岔管,十三陵抽水蓄能電站內(nèi)加強月牙肋岔管,日本的奧美濃、奧矢作第一電站內(nèi)加強月牙肋岔管等,原型觀測試驗資料分析表明:埋藏式岔管應(yīng)力狀態(tài)比明岔管水壓試驗應(yīng)力或明管狀態(tài)有限元計算成果低很多,證明圍巖分擔內(nèi)水壓力的作用是明顯的。在近幾年的設(shè)計中,也逐步有工程考慮圍巖分擔率,如國內(nèi)第一個考慮圍巖聯(lián)合受力設(shè)計的江蘇宜興抽水蓄能電站月牙肋岔管(圍巖分擔率20%)、西龍池抽水蓄能電站月牙肋岔管(圍巖分擔率15%~30%)。
因圍巖的約束作用,埋藏式岔管的應(yīng)力分布和明岔管相比有很大的不同。圍巖彈性抗力系數(shù)對埋藏式岔管的變位及應(yīng)力狀態(tài)呈非線性關(guān)系。圍巖分擔率隨著圍巖單位彈性抗力增加而增大,但隨著圍巖單位彈性抗力的增加圍巖分擔率增幅減少。岔管縫隙大小對埋藏式岔管應(yīng)力狀態(tài)的影響十分敏感,圍巖分擔率則隨縫隙值增加而下降明顯。如果要使得圍巖分擔率控制在20%~30%范圍,縫隙值應(yīng)限制在1~2mm范圍內(nèi)。
當縫隙值較大時,埋藏式岔管的應(yīng)力狀態(tài)接近明管。為確保因回填混凝土、灌漿質(zhì)量出現(xiàn)嚴重質(zhì)量問題時,岔管還能安全正常工作,以“明管條件”限制埋藏式岔管圍巖分擔率,也就是說,即使不考慮圍巖分擔內(nèi)水壓力作用,岔管最大應(yīng)力也不超過材料的屈服強度。以此來限制管壁及肋板的最小厚度,保證埋藏式岔管的安全性。
山口水利樞紐工程岔管最大的HD值為1065m2,與現(xiàn)有國內(nèi)已建在建的大型鋼岔管相比,HD值偏小,岔管強度要求不高,不是高強鋼的適用范圍。雖然岔管水頭不高,但管徑相對較大,主管管徑為9m,在水電工程中屬于大管徑鋼管,整體在洞外制作、運輸進洞安裝所需運輸洞開挖尺寸過大,迫使鋼岔管的管徑與壁厚要相匹配,滿足一定的剛度要求,鋼岔管的管材選取強度也不應(yīng)太低。當采用高強鋼時,用埋藏式條件下應(yīng)力控制準則,考慮圍巖分擔率勢必使計算壁厚太薄,鋼材在吊裝、運輸過程中,有可能產(chǎn)生較大變形。
山口導(dǎo)流洞工程,圍巖較為破碎,完整性較差,圍巖彈性抗力值變幅較大,導(dǎo)致圍巖分擔率取值多少合適,難以確定。由于鋼岔管在施工中回填混凝土和灌漿施工質(zhì)量較難控制,在實際運行過程中受各種復(fù)雜不利因素的影響,如縫隙值受水溫、圍巖蠕變等因素的影響,縫隙值具有不確定性。關(guān)于圍巖分擔內(nèi)水壓力的作用目前僅處于探索階段,如何考慮圍巖分擔內(nèi)水壓力的作用,還沒有較成熟的方法。國內(nèi)外埋藏式岔管一般按明管設(shè)計,圍巖分擔內(nèi)水壓力僅為一種安全儲備,這不僅是由于岔管距廠房較近,按明管設(shè)計趨于安全,更主要是沒有一種恰當?shù)脑O(shè)計理論、方法和成功的經(jīng)驗。埋藏式岔管內(nèi)加強月牙肋按與圍巖聯(lián)合受力設(shè)計在我國尚屬初步嘗試,出于工程安全考慮,采用明岔管分析方法。
采用有限元計算進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,可以確定明岔管設(shè)計不同工況條件下的壁厚及肋板厚度。岔管有限元計算網(wǎng)格劃分見圖2~圖4。岔管厚度計算結(jié)果見表3。
經(jīng)有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化擬定的岔管體形及壁厚,計算應(yīng)力均滿足明管運行工況及試驗工況應(yīng)力控制準則。
圖2 1號岔管整體單元劃分網(wǎng)格
圖3 2號岔管整體單元劃分網(wǎng)格
圖4 3號岔管整體單元劃分網(wǎng)格
山口水利樞紐工程為埋藏式鋼岔管,根據(jù)該工程的特點:低水頭、大管徑,考慮到管材安裝施工的需要,管壁取值不應(yīng)太薄。因埋藏式岔管的圍巖分擔率控制值受多種因素影響,不確定性較大。出于安全,最終用明岔管設(shè)計,運用有限元計算方法,確定合理的鋼岔管壁厚,滿足應(yīng)力設(shè)計要求。
表3 管壁和肋板厚度 單位:mm
1 姜長飛,鐘秉章.江蘇宜興抽水蓄能電站埋藏式鋼岔管設(shè)計//第六屆全國水電站壓力管道學術(shù)論文集.北京:中國水利水電出版社,2006.
2 張紅梅.西龍池抽水蓄能電站高壓鋼岔管設(shè)計//第六屆全國水電站壓力管道學術(shù)論文集.北京:中國水利水電出版社,2006.
3 王志國.埋藏式內(nèi)加強月牙肋岔管技術(shù)研究與應(yīng)用//第六屆全國水電站壓力管道學術(shù)論文集.北京:中國水利水電出版社,2006.