水電站工程埋藏式鋼岔管壁厚分析探討

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)。

1 工程概況

1.1 基本資料

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。

1.2 計算參數(shù)

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。

2 埋藏式岔管受力分析方法

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。

3 岔管厚度有限元計算分析

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

4 結(jié)語

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.