高水頭電站地面壓力管道結(jié)構(gòu)選型

胡 蕾,石長征,伍鶴皋,馮建武,劉 曜

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,湖北武漢 430072; 2.中國水電顧問集團西北勘測設(shè)計研究院,陜西西安 710065)

高水頭電站地面壓力管道結(jié)構(gòu)選型

胡 蕾1,石長征1,伍鶴皋1,馮建武2,劉 曜2

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,湖北武漢 430072; 2.中國水電顧問集團西北勘測設(shè)計研究院,陜西西安 710065)

為了選擇合適的高水頭引水式電站壓力管道形式,采用規(guī)范推薦的解析方法設(shè)計地面明鋼管和鋼襯鋼筋混凝土管,結(jié)合實際工程對二者進行有限元分析。結(jié)果表明:相比明鋼管方案,采用鋼襯鋼筋混凝土管可以減少使用厚鋼板和高強鋼,節(jié)省投資;避免鋼管卷板、焊接方面的困難以及復(fù)雜的伸縮節(jié)和支墩制造、安裝和維護工藝;可根據(jù)具體情況選擇邊坡是否支護或管道回填,降低可能出現(xiàn)的山體滑坡等自然災(zāi)害的威脅程度。

水電站;高水頭;明鋼管;鋼襯鋼筋混凝土管;鎮(zhèn)墩;支墩;結(jié)構(gòu)選型

引水式水電站的引水道一般較長,用來集中水電站的全部或相當大部分水頭,多見于流量小、坡降大的河流中、上游或跨流域開發(fā)方案。因此經(jīng)常遇到壓力管道直徑雖然不大,但承受水頭非常高的情況,設(shè)計和施工亦有相當大的難度,直接關(guān)系到整個工程的運行安全。例如我國的羊卓雍湖、天湖、依薩河二級水電站,設(shè)計水頭均高達1 000m左右,但引水鋼管直徑只有1～2m。當壓力管道直徑較小或為了加快施工進度、降低工程投資,經(jīng)常采用地面壓力管道,比如地面明鋼管或地面鋼襯鋼筋混凝土管。

地面明鋼管受力明確,結(jié)構(gòu)簡單,便于安裝維護,但對于高水頭電站,不可避免地要大量使用厚壁鋼管和高強鋼,除了增加投資外,還帶來鋼板施工卷制焊接上的困難。另一方面,由于明鋼管暴露在空氣中,也面臨眾多的安全問題,包括防爆、地震、山體滑坡、溫度影響等。例如我國廣西天湖水電站水頭落差高達1 074m,壓力鋼管直徑1.0m,施工期12、13號鎮(zhèn)墩管段因上游大雨發(fā)生泥石流而被沖擊,鋼管發(fā)生側(cè)向位移[1]。當明鋼管跨越活斷層時,需要設(shè)置較多柔性的伸縮節(jié)、支墩以適應(yīng)斷層錯動,同時整體結(jié)構(gòu)和支墩的剛度也要滿足抗震的要求,設(shè)計難度較大[2]。除此之外,因日曬導(dǎo)致鋼管左、右兩側(cè)溫度不同,鋼管產(chǎn)生橫向變位,支墩因而承受橫向推力。諸葛睿鑑等[3-4]分別運用結(jié)構(gòu)力學(xué)法和有限元法計算明鋼管支墩的自由溫度變位和橫向反力,認為不均勻日照溫差會引起較明顯的橫向變位,尤其是在鋼管放空時,可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

20世紀60年代在前蘇聯(lián)鋼襯鋼筋混凝土管以壩后背管的形式開始應(yīng)用,20世紀80年代以來我國也在多座大型壩后式水電站中開始應(yīng)用,但這些管道均屬大直徑、中低水頭壓力管道。20世紀90年代建造的依薩河二級水電站首次將鋼襯鋼筋混凝土管應(yīng)用于小直徑、特高水頭的地面明管結(jié)構(gòu)[5],避免了厚壁明鋼管復(fù)雜的制作安裝工藝,長期的運行實踐也證明該壓力管道是安全可靠的。

以往的資料較多的是針對某一種壓力管道形式單獨進行分析,也有文獻致力于研究合適的設(shè)計方法或安全評估方法[6-7],但鮮有涉及壓力管道選型時的綜合考慮因素,在工程可行性研究階段,這是首要考慮的問題之一。對于不同的地面管道形式,其適用條件、設(shè)計方法、施工工藝等均有較大的差異,需要具體情況具體分析。另外,僅用規(guī)范推薦的解析方法設(shè)計壓力鋼管顯然偏不安全,本文采用有限元方法優(yōu)化設(shè)計結(jié)果,在反映不同形式管道的受力特性的同時綜合考慮結(jié)構(gòu)安全、施工工期、工程造價等因素,選擇合適的壓力管道形式。

1 不同壓力管道形式解析法設(shè)計

某水電站引水隧洞后接壓力鋼管,埋入洞內(nèi)的鋼管長約700.31m,明管段長約807.16m,壓力鋼管管徑2m。明管段布置如圖1所示,沿線共布設(shè)8個鎮(zhèn)墩,鎮(zhèn)墩將管道固定,在初步設(shè)計階段將每2個鎮(zhèn)墩之間的管段獨立分析。本文對地面明鋼管和鋼襯鋼筋混凝土管兩種方案進行比較分析。

1.1 地面明鋼管強度設(shè)計

根據(jù)主要荷載(內(nèi)水壓力)按鍋爐公式[8]初估管壁厚度t:

式中:P為設(shè)計內(nèi)水壓力,MPa;r為鋼管內(nèi)半徑, mm;f為高強鋼設(shè)計強度,MPa;γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);ψ為設(shè)計狀況系數(shù)(持久狀況);γd為結(jié)構(gòu)系數(shù); σR為鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值,MPa。

以1、2號鎮(zhèn)墩之間的末跨為例,最大設(shè)計內(nèi)水壓力(包括靜水壓力和水擊壓力)為8.61MPa,高強鋼材抗力限值為231MPa,鋼管壁厚計算值為37.3mm,再考慮2mm的銹蝕裕量,管壁結(jié)構(gòu)厚度初定為t= 40mm。管壁厚度除應(yīng)滿足承載能力要求外,還應(yīng)根據(jù)制造、運輸、安裝等要求,保證必需的剛度,應(yīng)滿足式(3)計算的最小厚度:

式中D為鋼管直徑,mm。該水電站工程D=2000mm,即t≥6.5mm,實際選用管壁厚度t=40mm,滿足要求。

1.2 鋼襯鋼筋混凝土管強度設(shè)計

地面鋼襯鋼筋混凝土管道可以參照DL/T 5141—2001《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》[8]的壩后背管結(jié)構(gòu)分析方法設(shè)計。根據(jù)該規(guī)范的規(guī)定,鋼襯鋼筋混凝土管道設(shè)計應(yīng)滿足:式中:t1、t2分別為鋼管管壁厚度和鋼筋折算厚度, mm;fs、fy分別為鋼板和鋼筋抗拉強度設(shè)計值,MPa。

根據(jù)各計算斷面的具體參數(shù),按式(4)可以求得相應(yīng)的鋼管厚度和鋼筋配置,在此基礎(chǔ)上通過有限元法進一步校核。

2 不同壓力管道形式有限元法分析

2.1 地面明鋼管三維有限元分析

圖1 明管段布置示意圖

以1、2號鎮(zhèn)墩之間的管段為對象建立明鋼管有限元模型,包括壓力鋼管、伸縮節(jié)、支承環(huán)、滑動支墩、鎮(zhèn)墩以及部分地基,垂直于管軸線方向地基寬度取17m,基礎(chǔ)深度取10m。壓力鋼管沿軸線每隔6m設(shè)置1對支墩,沿線依次設(shè)置1～20號支墩,在明鋼管的上鎮(zhèn)墩下游設(shè)置伸縮節(jié),明鋼管有限元模型如圖2所示。鋼管、支承環(huán)采用殼單元模擬,混凝土和地基采用八結(jié)點實體單元模擬,支墩上、下滑動面以及套筒式伸縮節(jié)采用面面接觸單元模擬。有限元模型中,地基的左右兩側(cè)、上下游側(cè)及底部均施加法向約束。壓力鋼管細部結(jié)構(gòu)、支承環(huán)和套筒式伸縮節(jié)如圖3～5所示?；炷撩芏葹? 500 kg/m3,彈性模量為28 GPa,泊松比為0.167;鋼材密度為7850 kg/m3,彈性模量為206GPa,泊松比為0.3;基巖彈性模量為3GPa,泊松比為0.29。

圖2 明鋼管有限元模型

圖3 壓力鋼管細部結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 支承環(huán)示意圖

圖5 套筒式伸縮節(jié)示意圖

采用公式(1)～(3)初步確定鋼管壁厚,設(shè)計內(nèi)水壓力為7.65～8.61MPa,進行結(jié)構(gòu)自重、內(nèi)水壓力、溫度作用(±5℃)組合下的受力分析;再根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果對管道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。鋼管各點的等效應(yīng)力應(yīng)滿足以下條件:

式中:σx、σθ、σr分別為軸向、環(huán)向、徑向正應(yīng)力(均以拉為正),MPa;子θx、子θr、子xr為剪應(yīng)力,MPa。

根據(jù)有限元計算結(jié)果,1、2號鎮(zhèn)墩之間的鋼管壁厚采用40mm時,在溫降工況,下鎮(zhèn)墩附近鋼管整體膜應(yīng)力超過了高強鋼抗力限值231MPa,因此考慮將鋼管壁厚加厚2mm。

第2次校核結(jié)果表明鋼管壁厚取42mm時能夠滿足鋼材的抗力限值要求。

2.1.1 位移分析

鋼管沿軸向可以有一定的滑動,受結(jié)構(gòu)自重和管內(nèi)水重的作用,鋼管主要產(chǎn)生軸向位移,圖6為壓力鋼管沿線特征點的軸向位移(沿管軸線指向下游為正),特征點取自各支承環(huán)上游附近,編號取自對應(yīng)支墩。伸縮節(jié)附近鋼管的變形最大,沿管軸線向下游線性減小。最大軸向位移為39.2mm,發(fā)生在溫降工況伸縮節(jié)下游端的鋼管,全部由套筒式伸縮節(jié)吸收,伸縮節(jié)上游的鋼管受鎮(zhèn)墩的固定作用幾乎不產(chǎn)生位移,說明套筒式伸縮節(jié)可以起到補償上下游段鋼管錯動位移的作用。此外溫度作用對鋼管變形的影響是比較顯著的,溫升工況時,鋼管受熱膨脹,軸向向下游的位移減小。溫降工況支承環(huán)沿支墩的滑移量與上部鋼管的軸向位移是基本相等的,支墩幾乎不動,最大滑移量為40.8mm,溫升工況的情況類似,只是數(shù)值有所減小。

圖6 壓力鋼管特征點軸向位移

2.1.2 應(yīng)力分析

圖7為溫降工況19、20號支墩之間壓力鋼管的等效應(yīng)力等值線,鋼管的應(yīng)力主要受內(nèi)水壓力控制,隨著內(nèi)水壓力逐漸增大,鋼管的等效應(yīng)力也呈現(xiàn)由上游至下游逐漸增大的規(guī)律,但支承環(huán)旁管壁的應(yīng)力較小,圖8為20號支承環(huán)的等效應(yīng)力等值線,應(yīng)力由內(nèi)向外逐漸增大。

圖7 19、20號支墩之間壓力鋼管的等效應(yīng)力等值線(單位:MPa)

圖8 20號支承環(huán)等效應(yīng)力等值線(單位:MPa)

2.2 鋼襯鋼筋混凝土管道三維有限元分析

同樣以末跨1號鎮(zhèn)墩上游側(cè)典型斷面為例,采用有限元軟件ABAQUS對該斷面鋼襯鋼筋混凝土管道方案進行非線性有限元分析,外包混凝土厚度500mm,具體斷面尺寸見圖9。在計算中僅考慮了設(shè)計內(nèi)水壓力和管道自重,混凝土采用塑性損傷模型,鋼筋和鋼襯假定為線彈性材料。由于管道是軸對稱結(jié)構(gòu),僅取管道的一半建模計算,對稱面按對稱邊界處理。管道地基橫向和豎向尺寸均取5.4m,地基四周及管道軸向兩端面均施加法向位移約束,地基底部全約束。模型網(wǎng)格劃分見圖10和圖11。鋼管外包混凝土強度等級為C25,厚度500mm,彈性模量28GPa,泊松比0.167;鋼材彈性模量206GPa,泊松比0.3;基巖彈性模量為3GPa左右,泊松比為0.29。

圖9 典型斷面尺寸(單位:m)

圖10 混凝土網(wǎng)格

圖11 鋼管和鋼筋網(wǎng)格

同樣根據(jù)公式(4)計算出管壁厚度和鋼筋配置,再用有限元方法校核,最終使得鋼管、鋼筋及混凝土均滿足強度和剛度要求。解析法得到的結(jié)果是鋼管采用厚度30mm的高強鋼,混凝土配置雙層鋼筋φ32@200。經(jīng)過有限元法優(yōu)化后,鋼管厚度增加到34mm,配筋改變?yōu)殡p層φ32@167。此時鋼管等效應(yīng)力最大值為193.4MPa,小于高強鋼抗力限值256MPa;內(nèi)、外鋼筋應(yīng)力最大值分別為190.5MPa和155.7MPa。圖12顯示了混凝土最終損傷狀況,混凝土的開裂情況仍較為嚴重,但受到布筋密度的約束,開裂寬度較小,根據(jù)外層鋼筋的應(yīng)力最大值計算混凝土裂縫寬度為0.24mm[9]。

圖12 混凝土損傷狀況

3 管型對比與分析

由以上分析可知,地面明管段采用明鋼管和鋼襯鋼筋混凝土管道形式均可滿足要求,根據(jù)公式(1)～(4),針對樁號P0+700.31～P1+474.35之間所有管段分別按照地面明鋼管和鋼襯鋼筋混凝土管道方案進行設(shè)計,最終確定各管段鋼管壁厚和鋼筋配置見表1。

表1 管道設(shè)計結(jié)果

3.1 工程量

a.如果采用明鋼管方案,鋼管至少需要采用壁厚為34～42mm的600MPa級高強鋼才能滿足設(shè)計要求,鋼管的壁厚與直徑之比T/D為1.7%～2.1%,基本可以滿足規(guī)范規(guī)定的2.08%,鋼管的卷板、焊接不會存在很大困難。說明從結(jié)構(gòu)安全與構(gòu)造方面考慮,明鋼管方案是可行的。

b.如果采用鋼襯鋼筋混凝土管道方案,那么P1+323.34樁號之前只需采用壁厚為34 mm的Q345R低合金鋼,之后才需采用壁厚為34mm的600MPa級高強鋼,鋼管T/D值同樣可以滿足規(guī)范要求;同時P1+013.83樁號之前鋼管外包混凝土厚度為300mm,布置1層鋼筋,而P1+013.83樁號之后鋼管外包混凝土厚度為500mm,布置2層鋼筋即可滿足要求。

c.以上分析遵循的原則均是保證結(jié)構(gòu)安全的前提下做到工程量最少,在此前提下若選用明鋼管方案,鋼材全部選用高強鋼,不僅選材焊接工藝復(fù)雜,造價也高于普通鋼許多;而選用鋼襯鋼筋混凝土管道方案,外包鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼板聯(lián)合承載,只需P1+323.34樁號之后采用高強鋼,由于允許外包混凝土開裂,可以充分發(fā)揮鋼板和鋼筋的強度。加上鋼筋的單價低于鋼板,無需伸縮節(jié)和支墩的加工、安裝和運輸費用,初步估算可以節(jié)省20%左右的投資。

3.2 應(yīng)用基礎(chǔ)

明鋼管方案受力明確,有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ),我國已建成的水電站工程如隔河巖、天湖、龔嘴等均成功應(yīng)用了明鋼管。鋼襯鋼筋混凝土管道雖然在地面式引水鋼管中的應(yīng)用實例較少,尤其是高水頭水電站,國內(nèi)可以參考的有已建成的依薩河二級水電站引水鋼管和天生橋一級水電站引水鋼管的廠前段。但以壩后背管的形式在三峽、李家峽、東江、五強溪等高HD值水電站中的應(yīng)用已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界和工程界的普遍認可。

3.3 鋼管制作、安裝和維護

對于明鋼管,伸縮節(jié)和支墩的制作和安裝是施工過程中非常重要的環(huán)節(jié),如果出現(xiàn)問題,將會威脅到整個管線系統(tǒng)的安全運行,因此對伸縮節(jié)和支墩從選型、制作到安裝和維修均有較高的工藝要求。如若遇到管道HD值較高、地質(zhì)條件復(fù)雜、地基斷裂帶密集或地震烈度較高等有特殊需求的情況,則要求更高。而觀之鋼襯鋼筋混凝土管,則省去了此類需求。

3.4 安全性

為確保電站運行安全,若采用明鋼管方案,必須根據(jù)地質(zhì)條件對兩岸邊坡采取支擋、加固與防護措施,及時清理廢渣廢料。而鋼襯鋼筋混凝土管道由于壓力鋼管外圍有混凝土保護層,即使在地震或其他自然災(zāi)害情況下發(fā)生邊坡崩塌等類似事故,危害程度也相對較小。

4 結(jié) 論

a.從結(jié)構(gòu)安全的角度來講,地面明鋼管和鋼襯鋼筋混凝土管方案均可以保證水電站安全穩(wěn)定運行。但采用鋼襯鋼筋混凝土管道方案,可以通過外包鋼筋混凝土聯(lián)合承載減少鋼板厚度,避免選材、焊接方面的困難,同時節(jié)省投資。

b.兩種管道形式在工程界均有良好的應(yīng)用基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗,但從鋼管制作、安裝和維護方面來講,鋼襯鋼筋混凝土管可以避免設(shè)置伸縮節(jié)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的支墩以及將來運行過程中有可能出現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)問題,可加快施工進度,降低施工工藝復(fù)雜性。

c.在管道安全性方面,鋼襯鋼筋混凝土管還能使可能出現(xiàn)的山體滑坡等自然災(zāi)害對工程安全運行的威脅程度大幅度減小。因此,推薦選用鋼襯鋼筋混凝土管道方案。

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[8]DL/T 5141—2001 水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范[S].

[9]DL/T 5057—2009 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

Structural type of ground penstock for hydropower station w ith high head

HU Lei1,SHI Changzheng1,WU Hegao1,FENG Jianwu2,LIU Yao2(1.State Key Laboratory ofWaterResourcesand Hydropower Engineering Science,Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.Northwest Survey and Design Institute ofChina Hydropower Consulting Group,Xi’an 710065,China)

A suitable type of penstock should be selected for high-head hydropower station with diversion penstock.In this sense,it is proposed the analytic method and finite element method to design exposed steel penstock and steel lined reinforced concrete penstock,referring to relevant specifications.Results show that thicker or high-carbon steel plates could be decreased for steel lined reinforced concrete penstock compared with exposed steel penstock,which can lower the costs and avoid difficulties in rolling and welding.Additionally,the expansion joints and supports are not required,as well as complex installation and maintenance technology.Besides,due to the particular case around the steel pipe,slope support and pipeline backfill can be an alternative.Thus,the penstock will not be greatly affected by landslides and other similar natural hazards.

hydropower station;high head;exposed steel penstock;steel lined reinforced concrete penstock;anchorage block;buttress anchorage;structure selection

TV732.4

A

1006-7647(2015)02-0052-05

10.3880/j.issn.1006 7647.2015.02.011

2013-11-19 編輯:周紅梅)

胡蕾(1989—),女,山東菏澤人,博士研究生,主要從事水電站壓力管道和地下工程研究。E-mail:leih209@gmail.com

石長征(1983—),女,湖北荊門人,博士,主要從事水電站壓力管道和地下工程研究。E-mail:scz4@163.com