高水頭水電站壓力鋼管 穿廠房水下墻結(jié)合部位的有限元分析

廖騰耀

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

在以往的水電站廠房設(shè)計中，壓力鋼管穿墻段通常在鋼管與墻體之間設(shè)置一定厚度的閉孔泡沫板做為彈性墊層使用，保證水下墻在各運行工況下不受壓力鋼管內(nèi)水壓力作用，避免因鋼管內(nèi)水壓力作用，在結(jié)合部位墻體出現(xiàn)環(huán)向裂縫而形成滲水通道，影響電站的正常使用。近年來，隨著能源需求的不斷增長，水電站開發(fā)以水資源利用最大化為原則，規(guī)劃設(shè)計了一大批高水頭、大容量水電站工程，并陸續(xù)開建、建設(shè)。新形勢下傳統(tǒng)的工程措施是否仍然有效、可靠，采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學很難得到驗證，為保證工程安全可靠，需對該結(jié)合部位采用有限元法進行分析研究。本文以某高水頭水電站為例，應(yīng)用有限元軟件，分別計算鋼管與墻洞之間不同接觸狀態(tài)下壓力鋼管和墻體的受力和變形，總結(jié)其應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律，為該結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 工程概況

某水電站工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。工程裝機容量116MW，電站額定水頭347m，保證出力38.3MW，多年平均年發(fā)電量3.83億kW·h，裝機利用小時數(shù)3308h。該電站為引水式發(fā)電，引水系統(tǒng)總長11.4km，電站最大水頭373.77m，最小水頭346.33m，機組運行時最大內(nèi)水壓力(加水錘壓力)4.5MPa，屬于高水頭水電站。

2 方案擬定

根據(jù)工程實際情況，建立壓力鋼管穿過廠房水下墻的有限元三維模型，如圖1所示。圖1中穿墻段壓力鋼管直徑1.2m，厚度26mm，水下墻厚度2m，其中鋼管頂部0.5m以上的水下墻厚度變?yōu)?m。

根據(jù)鋼管與墻體之間的接觸形式，設(shè)置了4種方案。

方案1：鋼管與墻體之間擬采用50mm厚閉孔泡沫板填充，泡沫板變形模量3MPa，如圖2所示。

方案2：鋼管與墻體直接接觸，二者間無縫隙，如圖3所示。

方案3：鋼管與墻體有縫隙?？紤]到墻洞處混凝土澆筑后干縮、鋼管和混凝土墻體受溫度等因素影響，壓力鋼管和墻體之間可能有縫隙存在，因此假定鋼管與墻體之間初始縫隙寬度0.2mm。鋼管受內(nèi)壓后膨脹，與墻體接觸，聯(lián)合受力。

方案4：在方案3的基礎(chǔ)上，假定鋼管與墻體之間初始縫隙寬度0.5mm。鋼管受內(nèi)壓后膨脹，與墻體接觸，聯(lián)合受力。

在以上方案中，鋼管所承受的內(nèi)水壓力分兩個階段：第一階段，內(nèi)水壓力水頭373.77m，即最大水頭；第二階段，內(nèi)水壓力水頭448.8m，即設(shè)計內(nèi)水壓力加水錘壓力。其它荷載包括廠房正常運行期的結(jié)構(gòu)自重、樓面荷載等。

圖1 壓力鋼管穿過廠房水下墻的有限元模型

圖2 鋼管與墻體之間填充閉孔泡沫板方案

圖3 鋼管與墻體之間無縫隙接觸方案

3 計算分析

3.1 方案1：鋼管與墻體之間填充閉孔泡沫板

計算結(jié)果表明，在壓力鋼管與墻體之間充填50mm厚的閉孔泡沫板彈性墊層，墻孔最大拉應(yīng)力0.08MPa，位于孔底。主拉應(yīng)力方向沿墻孔環(huán)向分布。內(nèi)水壓力引起的水下墻變形以孔底為最大，相應(yīng)的位移為0.0027mm。水下墻的應(yīng)力狀態(tài)如圖4所示。

鋼管在有泡沫板束縛部位的最大拉應(yīng)力為104.9MPa，無束縛部位最大拉應(yīng)力為106.2MPa，差異不大；有、無泡沫板束縛部位的鋼管位移差異也很不明顯。由此可見，泡沫板很“軟”，它對鋼管的束縛作用十分有限。鋼管向四周膨脹，下部位移大于上部，最大位移0.44mm，位于管底。壓力鋼管的應(yīng)力狀態(tài)如圖5所示。

圖4 方案1水下墻應(yīng)力狀態(tài)(單位：MPa)

圖5 方案1壓力鋼管應(yīng)力狀態(tài)(單位：MPa)

3.2 方案2：鋼管與墻體之間無縫隙

在假定壓力鋼管與混凝土墻直接接觸、無縫隙的狀態(tài)下，混凝土墻孔口主拉應(yīng)力方向沿孔環(huán)向分布，孔口表面最大拉應(yīng)力范圍2.0～3.0MPa，孔上部墻體有大范圍拉應(yīng)力超過1MPa，如圖6所示。孔上部拉應(yīng)力大于下部的主要原因：孔下部墻體比上部更厚重，抗鋼管擠壓變形能力更強，孔下部墻厚2m，孔上部0.5m以上墻體厚度由2m變?yōu)?m。內(nèi)水壓力引起的墻沿孔徑向變形，孔上部位移0.13mm，兩側(cè)位移0.10mm，下部0.09mm。

鋼管在受混凝土墻約束部位的拉應(yīng)力為33MPa，無約束部位最大拉應(yīng)力為110MPa，差異較大，由此可見，在墻與鋼管之間無縫隙時，墻對鋼管的約束作用明顯。在受墻約束部位，鋼管向四周膨脹，上部略大于下部，最大位移0.13mm，與墻孔口變形規(guī)律一致。鋼管自由段，受內(nèi)水壓力作用產(chǎn)生的最大變形約0.4mm。壓力鋼管的應(yīng)力狀態(tài)如圖7所示。

3.3 方案3：鋼管與墻體之間縫隙縫寬0.2mm

鋼管在內(nèi)壓作用下，與鋼管接觸處的淺層混凝土拉應(yīng)力較大，有超過1MPa的部位，但深度不超過0.1m?；炷翂卓谑茕摴芘蛎洈D壓向四周變形，孔上部略大于下部，上部位移約0.04mm，下部位移約0.03mm。水下墻的應(yīng)力狀態(tài)如圖8所示。

鋼管在受混凝土墻約束部位的拉應(yīng)力為82MPa，無約束部位最大拉應(yīng)力為108MPa。由于鋼管與混凝土墻之間縫隙的存在，壓力鋼管受內(nèi)壓產(chǎn)生變形，在變形充滿縫隙后，混凝土墻才開始受力、分擔內(nèi)水壓力。故鋼管在受混凝土墻約束部位的拉應(yīng)力大于鋼管與墻體之間無縫隙的情況。鋼管受內(nèi)壓向外膨脹，下部位移0.24mm，上部位移0.22mm。壓力鋼管的應(yīng)力狀態(tài)如圖9所示。

3.4 方案4：鋼

管與墻體縫隙縫寬0.5mm

壓力鋼管充水加壓后，管道除了受內(nèi)壓作用而向外膨脹，還受水的重力而發(fā)生下沉，管道底部與混凝土墻之間的縫隙因管道下沉而被填滿，但是管道上部及兩側(cè)與墻體之間等縫隙仍存在。由于縫隙寬度大于管道變形量(方案2鋼管在自由狀態(tài)下，在受內(nèi)水壓力作用下的最大變形約0.4mm)，因此管道的受力接近明管狀態(tài)。由于管道近于明管狀態(tài)，墻體以內(nèi)管段的應(yīng)力略小于墻外管段的應(yīng)力，差異約2MPa，這是因為墻內(nèi)管段底部與墻體發(fā)生接觸而略改變管道應(yīng)力狀態(tài)。壓力鋼管最大拉應(yīng)力約110MPa。壓力鋼管的應(yīng)力狀態(tài)如圖10所示。

圖6 方案2水下墻應(yīng)力狀態(tài)(單位：MPa)

圖7 方案2壓力鋼管應(yīng)力狀態(tài)(單位：MPa)

圖8 方案3水下墻應(yīng)力狀態(tài)(單位：MPa)

圖9 方案3壓力鋼管應(yīng)力狀態(tài)(單位：MPa)

圖10 方案4壓力鋼管應(yīng)力狀態(tài)(單位：MPa)

圖11 方案4水下墻應(yīng)力狀態(tài)(單位：MPa)

由于壓力鋼管近于明管狀態(tài)，墻體幾乎不分擔管道內(nèi)水壓力，墻體拉應(yīng)力最大值不足0.2MPa，主要位于墻體與管道下部接觸處，拉應(yīng)力方向沿墻洞的環(huán)向分布。水下墻的應(yīng)力狀態(tài)如圖11所示。

4 結(jié)論

本文依托某高水頭水電站，采用有限元法對穿墻段鋼管和墻體進行聯(lián)合承載仿真計算，通過對鋼管與墻體之間設(shè)置彈性墊層、直接接觸、有縫隙接觸等方案，分析計算壓力鋼管和墻體的受力和變形狀態(tài)，得到以下結(jié)論：

(1)當壓力鋼管與墻體之間充填50mm厚的閉孔泡沫板塑料板墊層時，由于泡沫板很“軟”，它對鋼管的約束作用十分有限，鋼管幾乎處在明管狀態(tài)。在內(nèi)水壓力4.5MPa的作用下，鋼管最大拉應(yīng)力約110MPa，遠低于設(shè)計強度，鋼管向外的最大變形量約0.44mm。墻體幾乎不分擔鋼管的內(nèi)水壓力，因此壓力鋼管周圍的墻體內(nèi)拉應(yīng)力很小，墻體的主要應(yīng)力狀態(tài)為沿垂直向的壓應(yīng)力。

(2)若壓力鋼管和墻體直接接觸，無縫隙，墻體分擔鋼管內(nèi)水壓力的作用最大，墻孔口主拉應(yīng)力沿孔環(huán)向分布，孔口表面最大拉應(yīng)力2.0～3.0MPa，孔上部墻體有大范圍拉應(yīng)力超過1MPa；鋼管變形因受混凝土墻束縛，拉應(yīng)力比較低，約33MPa。

(3)當鋼管與混凝土墻之間有縫隙時，分別假定縫隙寬度為0.2、0.5mm?？p隙越小，墻體分擔管道內(nèi)水壓力的比例越多。當縫隙寬度等于0.5mm時，壓力鋼管充水后下沉，僅底部與墻孔接觸，管道上部及兩側(cè)與墻孔之間等縫隙仍存在，壓力鋼管近于明管狀態(tài)，墻體幾乎不分擔管道內(nèi)水壓力。

綜上所述，穿墻段鋼管與墻體之間設(shè)置50mm厚度的閉孔泡沫板彈性墊層的工程措施，能確保水下墻在各運行工況下不分擔壓力鋼管內(nèi)水壓力，墻體內(nèi)拉應(yīng)力小，有效避免結(jié)合部位墻體沿孔口出現(xiàn)裂縫的情況，保證了電站的正常運行。