积石峡水电站压力管道设计与分析.pdf

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1、水 力 发 电 第 3 7 卷第1 1 期 2 0 1 1年1 1 月 积 眉 峡 水 电 玷 压 力 管 道 设 计 与 分 析 张 曼曼，石 广斌 ，王 红 ，费秉宏 ( 中国水 电顾 问集 团西北勘 测设 计研 究院，陕西西安 7 1 0 0 6 5 ) 摘 要 ：积石峡水电站压力管道为钢衬钢筋混凝 土管 ，直接敷设在地基上 ，钢管直径 1 1 5 m，最大 内水压力 1 0 5 MP a 。 采用平面有 限元按分载法进行压力管道钢衬及其外包混凝土结构承载能力 计算 ，基 于有 限元分析结果 ，取消了压力 管道伸缩节 ，而采用伸缩管 ，节约了工程投资 ，方便了施工和运行管理 ，其设计 经

2、验和理念可供 同类工程借鉴。 关键词 ：压力管道 ；伸缩管 ；有 限元分析 ；积石峡水 电站 De s i g n a n d An a l y s i s o n Pe n s t o c k s o f J i s h i x i a Hy d r o p o we r S t a t i o n Z h a n g Ma n ma n ， S h i Gu a n g b i n ， W a n g Ho n g ， W a n g B i n g h o n g ( Hy d r o C h i n a X i b e i E n g i n e e ri n g C o r p o

3、r a t i o n ， X i a n 7 1 0 0 6 5 ， S h a a n x i ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e p e n s t o c k o f J i s h i x i a Hy d r o p o we r S t a t i o n i s s t e e l p i p e e n c a s i n g b y r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d d i r e c t l y l a y i n g o n f o u n d a t i o n T h e d i

4、 a me t e r o f s t e e l p i p e i s 1 1 5 m a n d t h e ma x i mu m i n t e r n a l wa t e r p r e s s u r e i s 1 0 5 MP a T h e b e a ri n g c a p a c i t y o f p e n s t o c k s t r u c t u r e i s c a l c u l a t e d wi t h p l a n e fi n i t e e l e me n t me t h o d a c c o r d i n g t o t h

5、 e l o a d d i s t ri b u t e d me t h o d B a s e d o n fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s r e s u l t s ， t h e e x p a n s i o n j o i n t o f p e n s t o c k i s c a n c e l l e d a n d r e p l a c e d w i t h c o m p e n s a t i n g p i p e T h e d e s i g n c a n s a v e i n v e s t me n

6、t ，ma k e c o n s t ru c t i o n ，o p e r a t i o n a n d ma n a g e me n t mo r e c o n v e n i e n t ，a n d a l s o b e a s r e f e r e n c e f o r s i mi l a r p r o j e c t s Ke y W o r d s ： p e n s t o c k ； c o mp e n s a t i n g p i p e ； F E M a n a l y s i s ； J i s h i x i a Hy d r o p o

7、we r S t a t i o n 中强分类号 ： T V 2 2 2 ；T V 6 7 2 2 ( 2 4 4 ) 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 1 ) l 1 - 0 0 3 6 - 0 4 1 工程概况 积 石 峡水 电站 枢纽 由混 凝 土面 板 堆 石坝 、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 发 电 系统 、坝后 厂 房 组成 。工 程 规模 为 二 等 大( 2)型 ，大 坝为 1级建 筑 物 ，泄水 建筑 物 、引 水 系统及 厂 房为 2级建 筑物 。 电站 进 水 口

8、为 坝前 塔 式 进 水 口 左 邻 溢 洪 道 ， 右 侧 为拦 河 大 坝 。共 设 3个 进 水 口。 由右 起 依 次 为 1 、2、3号 进 水 口 。 压力管道单机 引用流量 5 7 6 2 m s ，流速 5 5 5 m s ， 正 常 蓄 水 位 包 括 水 击 压 力 在 内 的 作 用 水 头 1 0 5 IT ， 水 头 与 管道 直 径 乘 积( HD)值 达 1 2 0 7 5 I n ，属 于 大型 钢管 。钢管 道 基础 位 于 K 之紫红 色 砾 岩夹 薄层 或 条带 状 中细砂 岩 中 ，基 础大部 分位 于微 风 化岩 体 ， 部 分位 于弱 风化 岩体 ，

9、总体 属 级 岩体 ，整 体稳 定 性 较好 。 2 压力管道布置与结构设计 压 力钢 管 采 用 一机 一 管 的 布置 ，为 直接 敷 设 在 圜W ta e r f J f J r V o 1 3 7 1 1 地基 上 的管 道 钢 管直 径 1 1 5 m，外包 2 m 厚混 凝 土 ，混 凝 土标 号 C 2 5 。3条 钢管 呈放 射状 布 置 ，长 度 分别 为 2 5 2 9 0、2 5 0 0 1 i n和 2 4 8 2 3 in，其 材 质 为 Q3 4 5 c。 钢 管 由上 平 段 、上 弯段 、斜坡 段 、下 弯 段 、下 平段 组成 ，斜 管段坡 度 为 1 ：

10、1 9，管 道基础 宽 1 8 5 in， 厚 1 in。上 、下 弯 管转 弯 半 径为 3 6 l I l ，弯 管均 为 间弯管 。上平 段 掩 埋在 面 板 堆石 坝 t I ，下 弯段 及 下 平 段 管道 之 间 回填 砂砾 石 ，形成 厂 区交 通 平 台 。压 力 管 道 布 置 见 图 l 。电站 厂 房 布 置在 大 坝下 游 坝 脚 处 ，为 坝 后 引 水 式 地 面 厂 房 。 根 据 D I Z r 5 1 4 1 2 o 0 1 水 电 站 压 力钢 管 设 计 规 范 附录 D初 步确 定压 力管 道 的钢 衬 厚度 和外 包 混 凝 土 的配 筋 并 按 _

11、程 类 比确定 外包 混 凝 土 的结 构 厚度 ，依据 数值 分析 结果 配 置混凝 土结 构钢 筋 。 图 2为 压 力管道斜 坡段 断 面。 收稿 日期 ：2 0 1 l 一 0 8 2 3 作者简介 ：张曼曼( 1 9 6 3) ，女 ，河南南 阳人 ，教授级 高工 ，硕 i 主要从事水工设计工作 L J，口 1 1蒯 队 置 豆， 寸：T 1 _ J ， J 如 卫 J E 兰J 里 1 5 ( f习 a平面 图 1 压力管道布置( 单位 ：m) 一 图 2压力管道斜坡段断面 ( 单位 ：c m) 3 压力管道结构分析 3 1 数 值 分析基 本 方法及 模 型建 立 本工 程 压

12、力 引水 管 道 设计 内水 压 力 由一 台机 组 甩 全 负荷 工 况 控 制 。机 组 甩 全 负荷 时 ，蜗壳 进 口断 面 处 最 大 水 击 压 力 值 为 2 5 9 1 m。假 定 水 击 压 力 沿 管轴 线 按直 线 分 布 再 加 上 各计 算 断 面 管 道 中心 处 的静 水 头 即为相 应 断 面 处 的设 计 内水 压力 。外 包 混 凝 土 结构 计 算采 用 的 内水 压力 和 钢 衬 厚度 详 见 表 1 。用 平 面有 限元对 压力 引水 管 道若 干典 型断 面进 行 结构 强度 分析 典 型断 面的位 置见 图 3。 表 1 引水管道基本参数 霉 桩

13、要 默 M 压P a m m尉 注 ：钢衬厚度 已除去 2mm锈蚀 。 图 3结 构 分 析 断 面 位 置 在 平 面 弹性 有 限元 计 算 中 ，对 断 面 1 5外 包 混 凝 土 与 钢衬 之 间的 初始 环 向缝 隙没 有用 间隙单 元 或 薄 弱层 结构 来模 拟 ，而是 按荷 载分 解 的方法 来解决 。 即 ，总 内水 压 力 为 P，其 中部 分 内水 压力 P r 只作 用 在 压 力钢 管 上 以弥 合混 凝 土 与钢 衬之 间 6 ( 1 2 mm) 的缝 隙 ，剩 余 部 分 P ， 2( P P r )继 续 作 用 在钢 衬 上 ， W a t e r P o

14、w e r V o 1 3 7 N o 1 1 团 南钢衬 和混 凝 土 、钢 筋共 同承 担 。计算 过程 中 ，忽 略 了混凝 土开裂 后 所 引起 的钢衬 承 担 内水 压 力 的增 加 钢筋 和混凝 土 承 担 内水 压 力 的减 少 ，按 照 位移 变 形 连续 协 调 的原 则 进行 数 值 分析 ，如 此会 造 成混 凝 土 结 构 汁算 应 力偏 大 ，结 构 偏 于安 全 。计 算 公 式 如 下 鲁 ( 1 ) 。 ： ：P r ( 2 ) 式 小 ， 为作 用在 压 力钢 管上 以弥合 混凝 土与钢 衬 之 问 缝 隙 的 内 水 压 力 ，MP a ；E为 钢 衬 弹

15、性 模 量 ， N mm ：6为混凝 土 与钢 衬之 间缝 隙 ；t为钢 衬厚 度 ， mE； r为 钢 衬 中心 半 径 ，mm；o - 0 1 为 l 在 钢 衬 上 产 生 切 向 应 力 。 在施 加 荷 载 之 前 。用 式 ( 1 ) 求 出 弥合 混 凝 土 与钢 衬 之 间 的缝 隙所 需 的压 力 ， 可 由式 ( 2 ) 求 出 ；然后 再用 平 面有 限元 计 算 ，在 作 用下 ，在钢 衬 、混 凝 土 上 产 生 的 切 向 应 力 O - 艘和 。 按 上 述两 部 分 内 水压 力计 算 ，得 出钢 衬 切 向应 力 O - o = O - + 6 2 。 断面

16、1 、断 面 5和 断面 6需 要 考 虑 土 压 力 ；断 面 2、断 面 3、断 面 4不 考 虑 土 压 力 ；断 面 1在 考 虑 内 水 压 力 时 ， 不 考 虑 土 压 力 。 断 面 6处 的 钢 衬 与 混 凝 土 之 问 设 有 厚 2 0 l l l n l 的 软 垫 层 ，软 垫 层 压 缩 模 量 E取 3 0 MP a ，垫 层泊松 比 取 0 0 5 。计算 施 加 内水 压 力 荷 载 见 表 2 表 2计算施加内水压力荷载 MP a 依 据 上 述计 算 分析 ，建 立 断面 1 6平 面有 限元 数 值 分 析模 型 。 图 4为 断 面 5计算 模 型

17、单元 离 散 示 意 。 根 据 上 述 混 凝 土 结 构 应 力 分 布 ，按 DL T 5 0 5 7 1 9 9 6 水 工 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 附 录 H， 对控 制T 况 下的结 构应 力进行 配筋 计算 。 3 2结构 分析 结果 ( 1 )混凝 土管 的拉 应力基 本是 由土 压力 ， 白重 ， 内水 压 力组 合 或 土 力 、 自重 、内水压 力 、外 水压 力组 合作 川控 制 环 向拉 应 力较 大 值 主要 分 布 于 管 顶 和 管底 的 内缘 、管腰 的外 缘 。 内水 压力 是 产 生 混 图 4 断面 5计算模型 单元离散图示意 凝 土管 的切

18、 向拉 应 力 的主要 因素 ：当 内水 压 力值 较 小 时 ，管 腰 截 面上 环 向应 力分 布 为 外 侧 是 托 应 力 ， 内侧是 压 应 力 ；当 内水 压 力值 较 大 时 ，管 腰 截 面上 切 向应力 分布 均 为拉 应 力 。断 面 l 6控 制 T 况混 凝 土 结 构 内 外 缘 应 力 统 计 见 表 3 。 表 3 6个断面典型控 制工况管顶、管膜 和管底 内与外缘切向应 力值 MP a ( 2 )外水 压 力和侧 向土压 力 土 对混 凝 土 管 的 切 向应 力 影 响是 非 常 明显 的 。 由于 它 们 的组 合 作 用 ， 可 降低 约 3 0 的切 向

19、拉 应 力 ，并 且拉 应 力 区沿 径 向 分 布深 度 也 有 明显 的 区别 。断面 5混凝 土 切 向应 力 图 5 -1 47 5 b 自霞 十 士t l i 力 +内水压力 图 5断面 5混凝土切向应 力 ( 单位 ：MP a ) ( 3 )钢衬 混 凝 土管 6个 典 型断 面 钢衬 的最 大 米 赛 斯( Mi s e s )应 力 统计( 见表 4)显 示 ，钢 衬 强 度 均满 足要求 。 蜷 ，H v 一 瓣 融 一 J ，口 I I枷 豆夏， 寸： Ut u y K， J 划 J J E 兰 l l ：J U 。 J I 表 4 6个典型 断面钢衬 的最大 Mis e

20、s应力 MP a ( 4)6个断 面外 包 混凝 土 结 构 切 向拉应 力 分 布 ， 按 管 顶( 0 。 ) 、管腰( 9 0 。 ) 、管 底( 1 8 0 。 )3条 路 径 进 行 配 筋计 算 ，每 个 断面 的最 终 配筋 取 3条路 径 配 筋 计算 的最 大 值( 见 表 5 ) 。 表 5 6个典型断面外包混凝土环向钢筋总面积 ( mm 2 m) 在所 有 计 算 工况 中 ，伸缩 管 两 端 竖 向最 大相 对 位 移 值 出现在 单独 自重 工况 ，为 一 1 7 mm；伸 缩管 两端轴 向最 大相 对 位 移 出现 在 地 震 组合 工 况 ，为 3 8 mm。 可

21、见 ，取 消伸缩 节 后 ，分 缝 两侧结 构相 对位 移 较小 ， 完全 可 以取消伸 缩 节 。 4 2伸 缩 管应 力 分 别 计算 了 5种 组合 工 况 下 伸缩 管 的 应 力 。钢 管 Mi s e s应 力 在 地 震 组 合 工 况 下 达 到最 大 最 大 值 为 1 3 4 4 6 MP a ，出现 在 缝 下游 侧 管 顶 ，其 值 小 于相 应 钢 材 的 允许 抗 力 限值 1 8 8 MP a 。温 降 组 合 工 况 的 应 力值 较 大 ，其 中最 大 值 为 1 2 7 4 4 MP a ，出现 在 缝 上 游 侧 管 顶 。在 各 种 荷 载 中 ，引 起

22、 Mi s e s应 力 的主 要 荷载 是 内水 压力 ，其 次是 温 度 荷 载 。 因此 ，取 消 伸缩 节采 用伸 缩管 是可 行 的 。 4 以伸缩管代替伸缩节的设计 5 结语 积 石峡 水 电站 在 厂前 分 缝处 。采 用 外 包 软 垫层 的伸 缩 管代 替伸 缩 节 。伸缩 管 长度 1 0 IT I ，此 段 直径 9 8 2 I n ，钢衬 厚 度 3 0 mm，外 包软 垫 层厚 度 2 0 mm 采 用 聚 胺 脂 软 木 垫 层 ， 弹性 模 量 3 0 MP a 。伸 缩 管 靠 近 厂房 分缝 处管 节间 预 留 2 c m 宽 的环 缝 ，环缝 外 侧 设 套

23、 环 垫 板 。伸 缩 管 上 、下 游 端 设 止 浆 止 水 环 下 游 端设 排 水 。在 伸缩 管 外 壁 包裹 软 垫 层 ，以适 应 施 工 期 厂 房分 缝 的不 均匀 变 位 和按 设 计 比例 外传 内 水 压 力 。伸 缩 管 安装 时采 用 特殊 支 架 ， 以保 证 在 运 行 期伸 缩管 可在 轴 向和径 向有 微 小位移 。 按 1 3号 钢 管 投入 运 行 的顺 序 ，在 ：充水前 将 伸 缩 管 预 留 的环 缝 施 焊 。此 后 ，厂前 分 缝 处不 均匀 变 位 、内水 压 力 及 温度 变 化 等 荷 载 ，则 由伸缩 管 直 接 承 受 。伸 缩 管

24、在 各种 荷 载 作 用下 分 缝 两 一则的相 对 位 移 及钢 衬应 力则 通过 三 维有 限元计 算分 析 。 4 1 伸 缩管 位移 分别 计算 了 5种 组合 工况 下伸 缩管 两 端 的位移 。 本 文用 平 面 有 限元 按 分 载法 进 行压 力 管 道 钢衬 及 其 外 包混 凝 土 结 构 承载 能 力计 算 ，用应 力 图形法 计 算 钢 衬 外包 混 凝 土结 构 配 筋 ；用 有 限元 分 析 论证 进厂 前 分缝 处 压 力 钢管 的变 形 和应 力 。基 于分 析结 果 ，采 用外 包 软 垫层 的伸 缩 管代 替 伸缩 节 ，取 消压 力 管 道 伸缩 节 节

25、约 了工 程投 资 其设 计 经 验 和理 念 可供 同类 工程 借鉴 。 参考文献 ： 1 DL f r 5 1 4 1 -2 0 0 1 水 电站压力钢管设计规范 s 2 伍鹤皋 黄河 积石峡水 电站 引水压力 管道静动力 三维有 限元 分 析 报告 R 武汉 ：武汉大学 ，2 0 0 5 3 张曼 曼 ，石广斌 黄河积石 峡引水压 力管道外包 混凝土结构 强 度分析专题报告 R 西安 ：中国水 电顾 问集 团西北勘测设计研 究 院2 0 0 8 4 石广斌 坝后 背管有 限元 分析报告 R 西 安：中国水 电顾 问集 团西北勘测设计研究院 2 0 0 5 ( 责任编 辑杨健 ) 、! 名

26、 ； ； 矗 、 蝓 f ! ； 瞄 ， 、 ； = ； ； 、 蠕、 = f ： 黄河公 司纳子峡项 目工程进展顺 利 纳子峡项 目工程是黄河 上游水电开发有 限责 任公司最大 的在建 水利工程 。砂砾 石面板堆石坝 高 1 1 7 6 0 m，坝体 填筑量约 5 0 8 万 m ，该项 目于 2 0 1 1 年 9月 1 4日坝基验 收合格 ，坝体填筑施工随即全面展开。 大坝主次堆石区第 1 5层已经填筑完毕，填筑已至 3 0 9 8 0 m高程 ，第 1 6层已填筑近半，平均每天上坝料近 7 0 0车，约 1 3 0 0 0 m。 。四条宽 1 0 m、长 2 7 5 i n的块石料排水 区已铺碾 了 4层 ，左 岸第一块平趾板( 带一段左岸斜趾板 )正在进行仓面验 收，即将浇筑。排水料筛分系统试运行阶段已经结束，开始 2 4 h不间断生产，日生产量 8 0 0 m ，储量超过 9 0 0 0 1 i l ，垫层料成 品料储量 已达 2 0 0 0 0 m 特殊垫层料 已开始生 产。 为抢在入冬之前提升坝体填筑量 ，保 证项 目按 时完工 ，中国水利水电第四工程 局计划分两批再投入 4 0 5 0辆 4 0 t 自卸车 ， 预计 日上坝量可望超过 2 0 0 0 0 m 。 ( 李柯 霏) W a t e r P o w e r V o 1 3 7 N o 1 1 回