積石峽水電站壓力管道設(shè)計(jì)與分析

張曼曼，石廣斌，王 紅，費(fèi)秉宏

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710065）

1 工程概況

積石峽水電站樞紐由混凝土面板堆石壩、左岸表孔溢洪道、左岸中孔泄洪洞、左岸泄洪排沙底孔、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)、壩后廠(chǎng)房組成。工程規(guī)模為二等大（2）型，大壩為1級(jí)建筑物，泄水建筑物、引水系統(tǒng)及廠(chǎng)房為2級(jí)建筑物。

電站進(jìn)水口為壩前塔式進(jìn)水口，左鄰溢洪道，右側(cè)為攔河大壩。共設(shè)3個(gè)進(jìn)水口。由右起依次為1、2、3號(hào)進(jìn)水口。

壓力管道單機(jī)引用流量 576.2 m3/s，流速5.55 m/s，正常蓄水位包括水擊壓力在內(nèi)的作用水頭105 m，水頭與管道直徑乘積（HD）值達(dá)1 207.5 m2，屬于大型鋼管。鋼管道基礎(chǔ)位于K13－2紫紅色礫巖夾薄層或條帶狀中細(xì)砂巖中，基礎(chǔ)大部分位于微風(fēng)化巖體，部分位于弱風(fēng)化巖體，總體屬Ⅱ～Ⅲ級(jí)巖體，整體穩(wěn)定性較好。

2 壓力管道布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓力鋼管采用一機(jī)一管的布置，為直接敷設(shè)在地基上的管道，鋼管直徑11.5 m，外包2 m厚混凝土，混凝土標(biāo)號(hào)C25。3條鋼管呈放射狀布置，長(zhǎng)度分別為 252.90、 250.01 m 和 248.23 m，其材質(zhì)為Q345C。

鋼管由上平段、上彎段、斜坡段、下彎段、下平段組成，斜管段坡度為 1∶1.9，管道基礎(chǔ)寬 18.5 m，厚1 m。上、下彎管轉(zhuǎn)彎半徑為36 m，彎管均為空間彎管。上平段掩埋在面板堆石壩中，下彎段及下平段管道之間回填砂礫石，形成廠(chǎng)區(qū)交通平臺(tái)。壓力管道布置見(jiàn)圖1。電站廠(chǎng)房布置在大壩下游壩腳處，為壩后引水式地面廠(chǎng)房。

根據(jù)DL/T 5141—2001《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D初步確定壓力管道的鋼襯厚度和外包混凝土的配筋，并按工程類(lèi)比確定外包混凝土的結(jié)構(gòu)厚度，依據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，配置混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋。圖2為壓力管道斜坡段斷面。

圖1 壓力管道布置（單位：m）

圖2 壓力管道斜坡段斷面（單位：cm）

3 壓力管道結(jié)構(gòu)分析

3.1 數(shù)值分析基本方法及模型建立

本工程壓力引水管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力由一臺(tái)機(jī)組甩全負(fù)荷工況控制。機(jī)組甩全負(fù)荷時(shí)，蝸殼進(jìn)口斷面處最大水擊壓力值為25.91 m。假定水擊壓力沿管軸線(xiàn)按直線(xiàn)分布，再加上各計(jì)算斷面管道中心處的靜水頭，即為相應(yīng)斷面處的設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力。外包混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算采用的內(nèi)水壓力和鋼襯厚度詳見(jiàn)表1。用平面有限元對(duì)壓力引水管道若干典型斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，典型斷面的位置見(jiàn)圖3。

表1 引水管道基本參數(shù)

圖3 結(jié)構(gòu)分析斷面位置

在平面彈性有限元計(jì)算中，對(duì)斷面1～5外包混凝土與鋼襯之間的初始環(huán)向縫隙沒(méi)有用間隙單元或薄弱層結(jié)構(gòu)來(lái)模擬，而是按荷載分解的方法來(lái)解決。即，總內(nèi)水壓力為P，其中部分內(nèi)水壓力Pr1只作用在壓力鋼管上以彌合混凝土與鋼襯之間δ（1.2 mm）的縫隙，剩余部分Pr2（P-Pr1）繼續(xù)作用在鋼襯上，由鋼襯和混凝土、鋼筋共同承擔(dān)。計(jì)算過(guò)程中，忽略了混凝土開(kāi)裂后所引起的鋼襯承擔(dān)內(nèi)水壓力的增加，鋼筋和混凝土承擔(dān)內(nèi)水壓力的減少，按照位移變形連續(xù)協(xié)調(diào)的原則進(jìn)行數(shù)值分析，如此會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)力偏大，結(jié)構(gòu)偏于安全。計(jì)算公式如下

式中，Pr1為作用在壓力鋼管上以彌合混凝土與鋼襯之間縫隙的內(nèi)水壓力，MPa；E為鋼襯彈性模量，N/mm2；δ為混凝土與鋼襯之間縫隙；t為鋼襯厚度，mm； r為鋼襯中心半徑，mm；σθ1為Pr1在鋼襯上產(chǎn)生切向應(yīng)力。

在施加荷載Pr1之前，用式（1）求出彌合混凝土與鋼襯之間的縫隙所需的壓力Pr1，σθ1可由式（2）求出；然后再用平面有限元計(jì)算，在Pr2作用下，在鋼襯、混凝土上產(chǎn)生的切向應(yīng)力σθ2和σc。

按上述兩部分內(nèi)水壓力計(jì)算，得出鋼襯切向應(yīng)力 σθ=σθ1+σθ2。

斷面1、斷面5和斷面6需要考慮土壓力；斷面2、斷面3、斷面4不考慮土壓力；斷面1在考慮內(nèi)水壓力時(shí)，不考慮土壓力。斷面6處的鋼襯與混凝土之間設(shè)有厚20 mm的軟墊層，軟墊層壓縮模量E取3.0 MPa，墊層泊松比μ取0.05。計(jì)算施加內(nèi)水壓力荷載見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算施加內(nèi)水壓力荷載 MPa

依據(jù)上述計(jì)算分析，建立斷面1～6平面有限元數(shù)值分析模型。圖4為斷面5計(jì)算模型單元離散示意圖。根據(jù)上述混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，按DL/T 5057—1996《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄H，對(duì)控制工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行配筋計(jì)算。

3.2 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

圖4 斷面5計(jì)算模型單元離散圖示意

（1）混凝土管的拉應(yīng)力基本是由土壓力，自重，內(nèi)水壓力組合或土壓力、自重、內(nèi)水壓力、外水壓力組合作用控制。環(huán)向拉應(yīng)力較大值主要分布于管頂和管底的內(nèi)緣、管腰的外緣。內(nèi)水壓力是產(chǎn)生混凝土管的切向拉應(yīng)力的主要因素：當(dāng)內(nèi)水壓力值較小時(shí)，管腰截面上環(huán)向應(yīng)力分布為外側(cè)是拉應(yīng)力，內(nèi)側(cè)是壓應(yīng)力；當(dāng)內(nèi)水壓力值較大時(shí)，管腰截面上切向應(yīng)力分布均為拉應(yīng)力。斷面1～6控制工況混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外緣應(yīng)力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 6個(gè)斷面典型控制工況管頂、管腰和管底內(nèi)與外緣切向應(yīng)力值MPa

（2）外水壓力和側(cè)向土壓力土對(duì)混凝土管的切向應(yīng)力影響是非常明顯的。由于它們的組合作用，可降低約30%的切向拉應(yīng)力，并且拉應(yīng)力區(qū)沿徑向分布深度也有明顯的區(qū)別。斷面5混凝土切向應(yīng)力見(jiàn)圖5。

圖5 斷面5混凝土切向應(yīng)力（單位：MPa）

（3）鋼襯混凝土管6個(gè)典型斷面鋼襯的最大米賽斯（Mises）應(yīng)力統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表4）顯示，鋼襯強(qiáng)度均滿(mǎn)足要求。

表4 6個(gè)典型斷面鋼襯的最大Mises 應(yīng)力MPa

（4）6個(gè)斷面外包混凝土結(jié)構(gòu)切向拉應(yīng)力分布，按管頂（0°）、 管腰（90°）、 管底（180°） 3 條路徑進(jìn)行配筋計(jì)算，每個(gè)斷面的最終配筋取3條路徑配筋計(jì)算的最大值（見(jiàn)表5）。

表5 6個(gè)典型斷面外包混凝土環(huán)向鋼筋總面積（mm2/m）

4 以伸縮管代替伸縮節(jié)的設(shè)計(jì)

積石峽水電站在廠(chǎng)前分縫處，采用外包軟墊層的伸縮管代替伸縮節(jié)。伸縮管長(zhǎng)度10 m，此段直徑9.82 m，鋼襯厚度30 mm，外包軟墊層厚度20 mm，采用聚胺脂軟木墊層，彈性模量3.0 MPa。伸縮管靠近廠(chǎng)房分縫處管節(jié)間預(yù)留2 cm寬的環(huán)縫，環(huán)縫外側(cè)設(shè)套環(huán)墊板。伸縮管上、下游端設(shè)止?jié){止水環(huán)，下游端設(shè)排水。在伸縮管外壁包裹軟墊層，以適應(yīng)施工期廠(chǎng)房分縫的不均勻變位和按設(shè)計(jì)比例外傳內(nèi)水壓力。伸縮管安裝時(shí)采用特殊支架，以保證在運(yùn)行期伸縮管可在軸向和徑向有微小位移。

按1～3號(hào)鋼管投入運(yùn)行的順序，在充水前將伸縮管預(yù)留的環(huán)縫施焊。此后，廠(chǎng)前分縫處不均勻變位、內(nèi)水壓力及溫度變化等荷載，則由伸縮管直接承受。伸縮管在各種荷載作用下分縫兩側(cè)的相對(duì)位移及鋼襯應(yīng)力則通過(guò)三維有限元計(jì)算分析。

4.1 伸縮管位移

分別計(jì)算了5種組合工況下伸縮管兩端的位移。在所有計(jì)算工況中，伸縮管兩端豎向最大相對(duì)位移值出現(xiàn)在單獨(dú)自重工況，為-1.7 mm；伸縮管兩端軸向最大相對(duì)位移出現(xiàn)在地震組合工況，為3.8 mm。可見(jiàn)，取消伸縮節(jié)后，分縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)相對(duì)位移較小，完全可以取消伸縮節(jié)。

4.2 伸縮管應(yīng)力

分別計(jì)算了5種組合工況下伸縮管的應(yīng)力。鋼管Mises應(yīng)力在地震組合工況下達(dá)到最大，最大值為134.46 MPa，出現(xiàn)在縫下游側(cè)管頂，其值小于相應(yīng)鋼材的允許抗力限值188 MPa。溫降組合工況的應(yīng)力值較大，其中最大值為127.44 MPa，出現(xiàn)在縫上游側(cè)管頂。在各種荷載中，引起Mises應(yīng)力的主要荷載是內(nèi)水壓力，其次是溫度荷載。因此，取消伸縮節(jié)采用伸縮管是可行的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文用平面有限元按分載法進(jìn)行壓力管道鋼襯及其外包混凝土結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算，用應(yīng)力圖形法計(jì)算鋼襯外包混凝土結(jié)構(gòu)配筋；用有限元分析論證進(jìn)廠(chǎng)前分縫處壓力鋼管的變形和應(yīng)力?；诜治鼋Y(jié)果，采用外包軟墊層的伸縮管代替伸縮節(jié)，取消壓力管道伸縮節(jié)，節(jié)約了工程投資，其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和理念可供同類(lèi)工程借鑒。

［1］DL/T 5141—2001 水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］伍鶴皋.黃河積石峽水電站引水壓力管道靜動(dòng)力三維有限元分析報(bào)告［R］.武漢：武漢大學(xué)，2005.

［3］張曼曼，石廣斌.黃河積石峽引水壓力管道外包混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析專(zhuān)題報(bào)告［R］.西安：中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2008.

［4］石廣斌.壩后背管有限元分析報(bào)告［R］.西安：中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2005.