對(duì)水電站壓力明管淺埋地梁式支墩設(shè)計(jì)的探討

熊 燕，馬 奪，周 斌，黃志平

（1.廣東省汕尾市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，廣東汕尾516600；2.湖南省寧鄉(xiāng)縣水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南寧鄉(xiāng)410600；3.江西省上饒市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，江西上饒334000）

對(duì)水電站壓力明管淺埋地梁式支墩設(shè)計(jì)的探討

熊 燕1，馬 奪2，周 斌1，黃志平3

（1.廣東省汕尾市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，廣東汕尾516600；2.湖南省寧鄉(xiāng)縣水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南寧鄉(xiāng)410600；3.江西省上饒市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，江西上饒334000）

隨著我國(guó)水電能源的逐步開發(fā)，低流量、高水頭的水電站日趨增多。高水頭電站的壓力明管穿越線路較長(zhǎng)，高差變化較大，地質(zhì)條件也相對(duì)復(fù)雜，獨(dú)立式支墩在這種復(fù)雜地質(zhì)條件地區(qū)應(yīng)用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的沉降問題，而壓力明管對(duì)支墩的沉降十分敏感，會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力從而帶來壓力明管的安全風(fēng)險(xiǎn)。本文研究和分析了一種新型的淺埋地梁式支墩的基本特性，并對(duì)其設(shè)計(jì)計(jì)算的方法進(jìn)行了一些探討，可供相關(guān)工程技術(shù)人員參考。

壓力明管；地梁式；支墩；倮馬水電站

1 前言

水電是可再生、無污染的清潔能源，開發(fā)利用水電有利于提高資源利用率和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的綜合效益。在地球傳統(tǒng)能源日益緊張的情況下，世界各國(guó)普遍優(yōu)先開發(fā)水電大力利用水能資源。

隨著我國(guó)水電能源的逐步開發(fā)，水電能源開發(fā)的重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向了云、貴、川等西南地區(qū)。我國(guó)西南地區(qū)海拔較高，地形起伏大，開發(fā)水能的電站往往具有低流量、高水頭的特性，較多電站采用了壓力明管沿山直下數(shù)百米以獲得較高的壓力水頭的設(shè)計(jì)方案。由于鋼管穿越線路較長(zhǎng)，高差變化大，致使明管穿越線路的地質(zhì)條件復(fù)雜多變，在這種地質(zhì)條件下常規(guī)獨(dú)立支墩容易產(chǎn)生沉降差，使鋼管產(chǎn)生附加應(yīng)力，惡化了鋼管的運(yùn)行條件。因此有工程師針對(duì)復(fù)雜地基條件提出了淺埋地梁式支墩［1］以保證工程安全運(yùn)行。本文將剖析淺埋地梁式支墩的受力特性，并對(duì)淺埋地梁式支墩的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行一些初步的探討。

2 獨(dú)立式支墩的特點(diǎn)及缺陷

傳統(tǒng)支墩通常為獨(dú)立式，其上支承的支座通?？煞譃榘靶位瑒?dòng)支座、平面滑動(dòng)支座、滾動(dòng)支座和搖擺支座［2］。獨(dú)立式支墩承擔(dān)支座傳來的管重和水重的法向分力、鋼管與支座之間的摩擦力［3］，并將荷載傳遞給地基。為保證支墩能安全地傳遞荷載，獨(dú)立式支墩設(shè)計(jì)時(shí)通常需進(jìn)行抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算和地基承載力驗(yàn)算［3，4］。

由于獨(dú)立式支墩基礎(chǔ)面積小，在上部荷載的作用下基底應(yīng)力有可能較大，致使支墩的沉降變形會(huì)偏大，加大了管軸線的豎向變位，易使鋼管產(chǎn)生附加應(yīng)力惡化鋼管的運(yùn)行條件。因此支墩的地基應(yīng)堅(jiān)實(shí)、穩(wěn)定，宜設(shè)置在巖基上［2］。對(duì)地基要求高、對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性差，是獨(dú)立式支墩的一個(gè)主要缺點(diǎn)。

3 淺埋地梁式支墩的受力特點(diǎn)和地基計(jì)算

淺埋地梁式支墩是在沿管線地表淺層開挖的基礎(chǔ)上澆筑一條通長(zhǎng)或分段連續(xù)的鋼筋砼地梁，再在地梁上設(shè)支承鋼管的支座形成的連續(xù)性的支墩結(jié)構(gòu)。通過地梁的作用，使得基礎(chǔ)的受力面積增加，基底應(yīng)力急劇減小，對(duì)地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力也隨之大幅降低，從而使沉降變形相應(yīng)減少，達(dá)到能充分適應(yīng)地質(zhì)條件變化的作用。

淺埋地梁式支墩同樣承擔(dān)支座傳來的管重和水重的法向分力、鋼管與支座之間的摩擦力，并將荷載傳遞給地基。淺埋地梁式支墩設(shè)計(jì)時(shí)通常需進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算和沉降計(jì)算。

淺埋地梁式支墩的基底應(yīng)力計(jì)算通常取一個(gè)連續(xù)段作為計(jì)算段，地梁梁身的豎向荷載為地梁自重產(chǎn)生的均布荷載，支座處為上部鋼管傳來的集中荷載。地梁梁底的地基反力可按直線分布法或彈性地基梁法［5］計(jì)算，計(jì)算所得的地基反力（基底應(yīng)力）的平均值應(yīng)小于修正后的地基承載力特征值fa、最大值應(yīng)小于1.2fa。

淺埋地梁式支墩的沉降變形，可根據(jù)計(jì)算的基底應(yīng)力減去自重應(yīng)力得到的基底附加應(yīng)力，地基內(nèi)的應(yīng)力分布采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論計(jì)算，再采用分層總和法計(jì)算地基變形量，最后用地基變形量乘以沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)得地基最終變形量［5］。

4 淺埋地梁式支墩的結(jié)構(gòu)計(jì)算

淺埋地梁式支墩內(nèi)力計(jì)算時(shí)可簡(jiǎn)化為支座為簡(jiǎn)支的受地基反力作用下的倒置多跨連續(xù)梁，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 地梁受方結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

淺埋地梁式支墩簡(jiǎn)化為倒置多跨連續(xù)梁計(jì)算，地梁的跨中一般為負(fù)彎矩（上部受拉），支座附近為正彎矩（下部受拉），應(yīng)根據(jù)正截面受彎承載力計(jì)算抗彎極限承載力［6］配置主筋；支座附近是剪力最大的部位，應(yīng)按斜截面受剪承載力計(jì)算斜截面抗剪極限承載力［6］配置箍筋和彎起鋼筋；支座坐落在地梁上，應(yīng)驗(yàn)算支座與地梁頂面接合處的局部受壓承載力［6］。還應(yīng)驗(yàn)算地梁的裂縫開展寬度［6］以滿足正常使用極限狀態(tài)的要求。

5 淺埋地梁式支墩在云南倮馬水電站壓力管道的運(yùn)用情況

倮馬水電站［1，7］位于云南省維西傈僳族自治縣巴迪鄉(xiāng)境內(nèi)的倮馬河中下游，為徑流引水式水電站，總裝機(jī)容量2×30MW，年發(fā)電量2.3×108kw ·h，額定水頭為596m，最大靜水頭651m，發(fā)電引用流量為2×5.79m3/s。樞紐主要建筑物有大壩、發(fā)電引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、發(fā)電廠房及升壓站等。

壓力管道位于隧洞出口山坡上，地形上緩下陡，管道全長(zhǎng)1220m，山坡角為10～37°。管道沿線出露的巖性為第四系坡積碎（塊）石土、二疊系上統(tǒng)下段a粉砂質(zhì)絹云千枚狀板巖、長(zhǎng)石細(xì)砂巖，巖體裂隙和層間擠壓破碎帶發(fā)育，巖體較破碎，沿管線地表巖土層地質(zhì)條件復(fù)雜，差異較大，主管管徑2.0m，采用10～38mm厚Q345C鋼管，鋼管支座間距6.0m。對(duì)管道沿線最軟弱的坡積土，取沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψs=0.8、變形計(jì)算深度范圍內(nèi)平均壓縮模量Es=6Mpa，獨(dú)立支墩和淺埋地梁式支墩方案在不同可壓縮層深度條件下對(duì)地基變形的影響見表1。

表1 獨(dú)立支墩和淺埋地梁式支墩方案對(duì)比（坡角37°）

采用淺埋地梁式支墩后，基底平均應(yīng)力降低為獨(dú)立支墩的34%，地基變形量降低為獨(dú)立支墩的50%～70%，淺埋地梁式支墩對(duì)降低基底應(yīng)力和地基沉降變形的作用較為明顯。倮馬水電站采用的淺埋地梁式支墩結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 倮馬水電站壓力明管縱剖圖

圖3 倮馬水電站壓力明管橫剖圖

倮馬水電站于2007年開工建設(shè)，2010年11月建成并網(wǎng)發(fā)電。電站運(yùn)行至今正常，未發(fā)現(xiàn)淺埋地梁式支墩有明顯沉降變形，壓力鋼管運(yùn)行正常。

6 結(jié)語

在地質(zhì)條件復(fù)雜多變的地區(qū)，常規(guī)的壓力管道獨(dú)立式支墩由于基底應(yīng)力較大容易產(chǎn)生沉降，加大了壓力明管的附加應(yīng)力，增加了壓力明管的安全風(fēng)險(xiǎn)。淺埋地梁式支墩通過地梁的條形基礎(chǔ)作用可使支墩的基底應(yīng)力大幅減小、沉降量得到有效的控制，雖然地梁式支墩的投資與獨(dú)立支墩相比有所增加，但大大降低了上承壓力明管的安全風(fēng)險(xiǎn)。地梁式支墩的設(shè)計(jì)思路，可供類似工程參考。

［1］黃志平.地梁式支墩在倮馬水電站壓力管道中的應(yīng)用［J］.小水電，2012（02）：11-13.

［2］郭瀟，張軍勞，張秀崧.萬家寨水電站淺埋式引水壓力鋼管的設(shè)計(jì)［J］.水利水電工程設(shè)計(jì)，1998（02）.

［3］SL281-2003.水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］馬善定，汪如澤.水電站建筑物［M］.第2版.北京：中國(guó)水利水電出版社，1996.

［5］王仁坤，張春生.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)·第8卷·水電站建筑物［M］.第2版.北京，中國(guó)水利水電出版社，2014.

［6］GB50007-2011.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］SL191-2008.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［8］王義邦.云南省維西傈僳族自治縣倮馬水電站可行性研究報(bào)告［R］.上饒市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2005.

TV732+4

B

1672-2469（2015）12-0000-00

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.039

熊 燕（1986年—），女，工程師。