水電站大直徑引水明鋼管的設(shè)計研究

陳　凌，孟江波

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

水電站大直徑引水明鋼管的設(shè)計研究

陳凌，孟江波

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

摘要：近年來，隨著海外電站的大規(guī)模興建，引水系統(tǒng)的形式也開始多種多樣，如何在復(fù)雜地形地質(zhì)條件下進(jìn)行引水系統(tǒng)的設(shè)計成為一個重要課題；尤其是不希望采用地下洞室方案或盡量減小地下洞室開挖的建設(shè)單位，引水系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)合理性就顯得尤為重要。結(jié)合哥斯達(dá)黎加境內(nèi)某水電站工程的設(shè)計，在克服水文資料和地質(zhì)資料匱乏的情況下，針對引水系統(tǒng)中明鋼管的設(shè)計研究，充分論述引水明鋼管的設(shè)計分析，得出適應(yīng)本工程的最佳方案。圖7幅。

關(guān)鍵詞：水電站；引水明鋼管；支墩；壩式進(jìn)水口；米塞斯應(yīng)力；沖溝

1概述

某水電站位于哥斯達(dá)黎加Tarcoles河上，境內(nèi)地震及火山發(fā)育，工程區(qū)的50年基準(zhǔn)期超越概率為10%的地震水平峰值加速度為0.426 g，有效峰值加速度為0.34 g。壩址上游控制流域面積約1 708.5 km2。電站總裝機(jī)容量50 MW，多年平均年發(fā)電量約2.05億kW·h，裝機(jī)年利用小時約4 100 h。水庫正常蓄水位192.50 m，發(fā)電死水位190.00 m，總庫容約730萬m3，有效庫容約180萬m3。

電站樞紐主要由擋水建筑物、泄水建筑物、左岸輸水系統(tǒng)和左岸地面廠房等組成。壩址區(qū)河流年輸沙量大，壩身設(shè)沖沙底孔。

引水建筑物布置于左岸山體內(nèi)，由壩式進(jìn)水口、引水鋼管、引水隧洞、上游調(diào)壓井及壓力鋼管等組成。

2引水系統(tǒng)方案的選擇

對引水系統(tǒng)而言，有3種可供選擇的型式：方案1是做成岸塔式獨(dú)立進(jìn)水口，引水系統(tǒng)采用隧洞型式，下游設(shè)置調(diào)壓室，壓力管道與尾部地面廠房相接。方案2采用壩式進(jìn)水口，壩后采用明鋼管，與隧洞相接，并考慮采用隧洞型式，后部與方案1相同。方案3與方案2的首部布置相同，也采用壩式進(jìn)水口，后部設(shè)置明鋼管，并一直采用明鋼管系統(tǒng)與地面廠房相接。

從本工程的地形地質(zhì)條件來看，方案3雖然無洞室開挖的作業(yè)(業(yè)主更青睞無洞室方案)，但是所處河岸邊坡較陡峻，導(dǎo)致明鋼管的邊坡開挖方量明顯增大，且鋼襯量增加明顯，投資增大；故方案3并不合理。

方案1和方案2均受到檸檬溝的影響，檸檬溝位于壩址下游約210 m處，沖溝長年流水，且在雨季會伴隨小型泥石流下泄，沖切深度較深。為了避開檸檬溝影響，方案1需要將洞線先往東南方向偏移，滿足在檸檬溝處的埋深要求，再轉(zhuǎn)向廠房方向；而方案2則需要采取措施跨過檸檬溝。

對于方案1和方案2，各有優(yōu)缺點(diǎn)。方案1采用獨(dú)立進(jìn)水塔，施工作業(yè)與其他工作面干擾較小，采用隧洞方案可減少鋼襯用量，且有利于抗震，但獨(dú)立進(jìn)水口增加了混凝土方量和啟閉設(shè)備。方案2采用了壩式進(jìn)水口，可減少混凝土方量和啟閉設(shè)備(與壩頂啟閉設(shè)備可共用)，但增加了鋼襯工程量，且為明鋼管型式，增加了地震破壞的風(fēng)險。

經(jīng)綜合比選，采用方案2，即壩式進(jìn)水口+明鋼管+隧洞方案。

3引水明鋼管設(shè)計

3.1　進(jìn)水口鋼管段設(shè)計

進(jìn)水口為壩式進(jìn)水口，屬于擋水建筑物的一部分，而明鋼管為壩體內(nèi)部埋管，管徑6.5 m，對于大直徑埋入混凝土內(nèi)的鋼管，通常因?yàn)榛炷僚c鋼襯的變形相差較大，故對于非擋水結(jié)構(gòu)，一般在鋼襯外設(shè)置墊層來適應(yīng)鋼襯的大變形；但對于擋水結(jié)構(gòu)，需要混凝土與鋼襯貼合緊密，故可能會引起變形不協(xié)調(diào)而出現(xiàn)裂縫，若混凝土厚度較薄，則極易形成裂縫，且在長期水壓力作用下，會導(dǎo)致進(jìn)水口壩段漏水嚴(yán)重。故對于壩內(nèi)埋設(shè)鋼管的設(shè)計，需要計算其應(yīng)力和變形。為簡化計算，先按照混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，不考慮鋼襯作用(見圖1)。

圖1進(jìn)水口壩段縱剖面示意(單位：cm)

計算采用的分析軟件為ABAQUS程序，該程序?yàn)槟壳笆澜缟瞎δ苋?、?yīng)用廣泛的大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件之一(見圖2)。

從計算結(jié)果可以看出，應(yīng)力和應(yīng)變均較小，流道附近拉應(yīng)力最大為1.16 MPa，小于C25混凝土的允許拉應(yīng)力(1.27 MPa)，產(chǎn)生裂縫的可能性較??；而且在設(shè)計中，在鋼襯外部設(shè)置環(huán)向鋼筋，也可有效防止裂縫的產(chǎn)生。

圖2進(jìn)水口流道剖面豎向剖面應(yīng)力示意

(單位：Pa，拉應(yīng)力為正)

按照常規(guī)的構(gòu)造設(shè)計，在鋼襯起始位置設(shè)置3道止水環(huán)，防止?jié)B透破壞。

3.2　明管段布置分析

壩式進(jìn)水口后部設(shè)置明鋼管，與隧洞相連，鋼管的布置形式直接影響其安全性和經(jīng)濟(jì)性。本工程明鋼管采用國外常用的A537CL—1材料，直徑為6.5 m，管徑較大，且處于高地震區(qū)，對于此段的設(shè)計成為本工程引水系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.2.1明管段跨溝設(shè)計

壩后明管段的布置需要首先考慮如何跨過檸檬溝的問題。要使建筑物安全的跨溝，通常有幾種做法：方案1是采用架橋的方式，橋墩坐在溝兩側(cè)堅固基礎(chǔ)上，讓建筑物從橋上過。方案2是直接在溝的上游設(shè)置攔擋壩，并設(shè)置引渠，將溝水在上游處從引渠排到其他地方，而建筑物從溝底過。因?yàn)榉桨?并不具備引排的條件，故將其否定，僅考慮方案1。

因建設(shè)單位無法給出此處區(qū)域的集雨面積以及附近雨量站資料，此處地質(zhì)信息較少，僅能通過現(xiàn)場查勘，而橋墩對于基礎(chǔ)的要求較高，因此開挖時應(yīng)該充分考慮深挖至新鮮弱風(fēng)化層。方案1采用管橋設(shè)計，存在一定風(fēng)險。

針對此弊端，提出方案3：在沖溝處設(shè)置鋼管拐點(diǎn)，此處設(shè)置鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩上方設(shè)置過水箱涵，并充分考慮箱涵過流能力，使溝水及泥石從鎮(zhèn)墩上方的箱涵通過，并流向下游。此方案對于地質(zhì)基礎(chǔ)的要求較低，且外包鋼筋混凝土，可以有效地保護(hù)鋼管不受泥石流破壞；并且采用鎮(zhèn)墩與保護(hù)鋼管跨溝相結(jié)合，可以有效地減少工程量(見圖3)。

在施工鎮(zhèn)墩時，需要設(shè)置臨時導(dǎo)排設(shè)施，并且安排在旱季施工，保證混凝土澆筑質(zhì)量。

圖3鋼管跨溝橫剖面(兼做鎮(zhèn)墩)

3.2.2支墩型式設(shè)計

明鋼管的管徑為6.5 m，直徑較大，首先應(yīng)考慮支墩型式，支墩型式可分為三大類：滑動式支墩，滾動式支墩，擺動式支墩?；瑒邮街Ф找话氵m用于2 m以下鋼管，滾動式支墩和擺動式支墩可用于2 m以上大直徑鋼管，適用于本工程。滾動式和擺動式支墩均采用支撐環(huán)的型式，將鋼管的重力和其他豎向力傳到支撐環(huán)上，然后支撐環(huán)再與混凝土墩座通過滾輪或擺柱相連。近年來，隨著聚四氟乙烯的應(yīng)用，逐漸替代了滾輪和擺柱。因此，采用了支撐環(huán)和聚四氟乙烯滑動支座型式的支墩(見圖4)。

圖4明鋼管典型剖面示意

3.3　明管段結(jié)構(gòu)設(shè)計

明鋼管的支墩間距應(yīng)該以不產(chǎn)生應(yīng)力破壞為準(zhǔn)，即在擬定了鋼管厚度之后，再擬定支墩間距，并計算在設(shè)計工況下鋼管應(yīng)力是否滿足要求。鋼管厚度影響支墩間距，支墩間距又影響鋼管厚度?？上葟臉?gòu)造要求入手，計算出鋼襯需要的最小厚度，以及按照抗外壓設(shè)計計算出厚度。

(1)構(gòu)造最小厚度

① 太平洋電氣公司的公式：

② 美國墾務(wù)局的公式：

以上兩式中，tmin為最小鋼管壁厚(mm)；D為壓力鋼管直徑(mm)。

③ 鋼管最小構(gòu)造厚度還應(yīng)滿足國內(nèi)規(guī)范的構(gòu)造要求。

按照以上3條進(jìn)行計算，可得出鋼管構(gòu)造厚度為17.5 mm。

(2)抗外壓計算

可暫時按照構(gòu)造厚度，取整為18 mm(含裕量厚度)，反算抗外壓能力?？刹捎脟鴥?nèi)規(guī)范中對于光面管的計算應(yīng)力，采用如下公式：

式中，Pcr為抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計算值(N/mm2)；Es為鋼材彈性模量(N/mm2)。

經(jīng)計算，對于光面管并不符合設(shè)計要求，需要加設(shè)加勁環(huán)。加勁環(huán)鋼管抗外壓可采用國內(nèi)外通用的米塞斯公式：

通過計算，可以明確鋼襯加勁環(huán)采用20 cm高度、18 mm厚加勁環(huán)，間距采用3 m。

(3)鋼管管壁應(yīng)力計算

對于明鋼管而言，因?yàn)殇撘r管壁受到支墩的支撐作用，鋼管管壁除了受內(nèi)水壓力作用，還會產(chǎn)生順軸線方向的“梁”彎矩荷載，故應(yīng)力是兩者疊加的作用。同時，本工程處于高地震區(qū)，還需復(fù)核在地震工況下的地震力。

采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行計算。具體算法可參見《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5141—2001)中附錄A中的計算，此處不再贅述。經(jīng)計算，采用支撐環(huán)間距6 m，在地震力作用下，管壁應(yīng)力：σθ=191.4 MPa，σ2=79.6 MPa，均能滿足允許應(yīng)力的要求。

3.4　明管支撐環(huán)應(yīng)力計算及管壁應(yīng)力復(fù)核計算

本工程支撐環(huán)采用2片高度35 cm、厚度25 mm的鋼片組合，2片之間采用14片加勁肋焊接相連，2片鋼片間距為60 cm。

從結(jié)構(gòu)型式來看，支撐環(huán)的立柱相當(dāng)于薄柱體結(jié)構(gòu)(見圖5)，若支撐環(huán)強(qiáng)度過低，則可能會因?yàn)樽冃芜^大而發(fā)生失穩(wěn)破壞?？紤]到高地震力影響，在保證施工便利的前提下，盡量降低支撐環(huán)支柱的高度。采用有限元分析方法，對整個鋼管在支撐環(huán)固定時進(jìn)行應(yīng)力計算。

圖5支撐環(huán)簡化圖

3.4.1地震荷載

工程區(qū)概率2×10-3(相當(dāng)于基準(zhǔn)期50年超越概率10%)水平地震動峰值加速度(PGA)為0.426 g，相應(yīng)有效峰值加速度(EPA)為0.34 g。

3.4.2計算工況

計算工況包括靜力工況、動力工況及兩者的疊加三部分。

(1)靜力工況

靜力工況包括正常運(yùn)行工況(上游正常蓄水位192.5 m)、校核洪水位工況(上游校核洪水位196.5 m)。

(2)動力工況

動力工況包括在正常運(yùn)行水位時(上游正常蓄水位192.5 m)順流向地震工況、垂直流向地震工況。

3.4.3計算結(jié)果

采用有限元分析，計算出管壁及加勁環(huán)的應(yīng)力水平，計算出Mises應(yīng)力結(jié)果(見圖6～圖7)。對正常水位運(yùn)行工況(靜力工況)、校核運(yùn)行工況(靜力工況)、順流向地震工況(動力工況)和垂直流向地震工況4種情況進(jìn)行分析后，本文僅對最危險的垂直流向地震工況進(jìn)行介紹。

垂直流向地震整體最大變形約0.295 mm，以垂直流向變形為主，Mises應(yīng)力極值為6.34 MPa，發(fā)生在支撐環(huán)底部和座板連接部位。以上結(jié)果考慮了0.35的折減系數(shù)，如果不考慮該系數(shù)，Mises應(yīng)力極值約為18.11 MPa，數(shù)值較小。

由地震力引起的應(yīng)力變化數(shù)值較小，和正常蓄水位疊加后整體應(yīng)力水平較低，具有較大的安全系數(shù)。采用擬靜力法進(jìn)行對比計算，整體最大變形約0.313 mm， Mises應(yīng)力極值為9.12 MPa，發(fā)生在支撐環(huán)底部和座板連接部位。

圖6　明鋼管垂直流向振動整體變形分布示意

圖7明鋼管垂直流向振動整體Mises應(yīng)力

分布示意(單位：Pa)

從以上計算結(jié)果分析可知，應(yīng)力較大部位一般發(fā)生在支撐環(huán)處的鋼管管壁處，而因?yàn)橹苇h(huán)采用環(huán)向包住鋼襯的結(jié)構(gòu)形式，有效地分散了其彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力，使得支撐環(huán)本身的應(yīng)力降低到較低水平，比結(jié)構(gòu)力學(xué)采用簡單支柱型式的應(yīng)力計算結(jié)果要小得多。本工程采用此結(jié)構(gòu)形式是偏安全的。

4結(jié)語

對于海外工程，在地質(zhì)資料和水文資料匱乏的前提下，如何使得設(shè)計能夠既安全又不至于突破投資，是一個重中之重的課題。設(shè)計時，在地形地質(zhì)條件允許的前提下，將獨(dú)立進(jìn)水口改為壩式進(jìn)水口，可以減少投資，但可能增加一部分明鋼管。對于明鋼管的設(shè)計，在地形地質(zhì)條件較差時，需考慮如何巧妙避開或安全跨過不利地段(如沖溝等)。在針對大直徑鋼管的計算設(shè)計時，不僅要對鋼襯本身的應(yīng)力進(jìn)行計算，還需要注意支撐環(huán)的應(yīng)力復(fù)核，避免支撐環(huán)立柱的失穩(wěn)破壞。

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責(zé)任編輯吳昊

作者簡介：陳凌(1982-)，男，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程方面的研究工作。

收稿日期：2015-10-21

E_mail：chen_l25@ecidi.com