強(qiáng)震區(qū)鋼襯鋼筋混凝土壩后淺埋管受力特性研究

辛利春，陳軍偉，趙 喆，胡世喜

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

壩下游面鋼襯鋼筋混凝土壓力管道(簡稱壩后淺埋管)作為一種新型的布置形式，在國內(nèi)外的混凝土壩后式電站中應(yīng)用廣泛[1]。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則是鋼襯與外圍鋼筋混凝土聯(lián)合受力，同時(shí)允許在工作內(nèi)水壓力、水錘等作用下混凝土出現(xiàn)若干徑向裂縫以發(fā)揮鋼材強(qiáng)度，但需控制裂縫寬度[2-4]。壩后淺埋管在正常運(yùn)行時(shí)管道外圍鋼筋混凝土將帶裂縫工作，管道外圍混凝土材料屬于準(zhǔn)脆性材料，其抗拉強(qiáng)度很低，在內(nèi)水壓力等荷載作用下管道外圍混凝土?xí)l(fā)生不同程度的開裂，甚至?xí)霈F(xiàn)貫穿性裂縫。在施工期和運(yùn)行期的溫度、應(yīng)力場、地震作用、管壩相互影響及外包混凝土裂縫、縫寬等問題是復(fù)雜的塊體非線性問題[5-7]。

本文以某強(qiáng)震區(qū)水電站壩后淺埋管為例，建立壩基-壩后淺埋管-壩后式廠房的有限元模型，對運(yùn)行期管壩后淺埋管道結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行分析，進(jìn)而對其安全性進(jìn)行定量評價(jià)，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某攔水壩典型壩段寬度26.5 m，壩高117.5 m，建基面高程2 342.00 m，壩頂寬度29.0 m，壩底寬度97.5 m。

引水系統(tǒng)為單管單機(jī)布置，由壩式進(jìn)水口和壩后淺埋管組成，引水系統(tǒng)總長110 m，其中鋼管段總長102 m。壩后淺埋管采用鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合受力的結(jié)構(gòu)型式，包括上彎段、斜直段、下彎段及下平段。上彎段、斜直段、下彎段鋼管內(nèi)徑8.5 m，近廠房段鋼管直徑漸變?yōu)?.6 m。上、下彎段轉(zhuǎn)彎半徑分別為18 m和22 m，斜直段坡度與下游壩面相同，為1∶0.7，鋼管外包混凝土外表面與下游壩面齊平。下平段鋼管中心線高程與機(jī)組安裝高程相同，為2 362.50 m。鋼管在廠壩分界縫部位不設(shè)伸縮節(jié)，設(shè)置彈性墊層管適應(yīng)廠壩之間不均勻變形。鋼管均采用Q345R鋼板，漸變段、上彎段和斜直段厚度20～26 mm，下彎段和下平段厚度28 mm。

發(fā)電廠房為壩后式廠房，主要建筑物包括：主機(jī)間、安裝場、上下游副廠房、220 kV升壓開關(guān)站、尾水渠及進(jìn)廠交通洞等。發(fā)電廠房的洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：正常運(yùn)用、非常運(yùn)用洪水對應(yīng)下游尾水位分別為2 322.20 m和2 323.57 m。

2 典型壩段計(jì)算模型

2.1 基本參數(shù)

典型壩段壩基為Ⅲ1類巖體，大壩及廠房采用C25常態(tài)混凝土，壓力管道鋼襯壁厚20～28 mm，鋼襯外包墊層厚度3 cm，包角180°。鋼襯外包混凝土厚度為1.5 m，鋼筋為Ⅱ級，環(huán)向配置三層鋼筋，每層Φ36@200，縱向配置三層鋼筋，每層Φ20@330。模型的材料參數(shù)詳見表1，各管段鋼襯厚度及內(nèi)水壓力見表2。

表1 模型各部分材料參數(shù)

表2 各管段鋼襯厚度及內(nèi)水壓力

2.2 作用及其組合

主要作用包括：①壩體、鋼襯和廠房自重；②上、下游水壓力。水庫正常蓄水位2 447.0 m，廠房下游尾水位2 372.0 m；③揚(yáng)壓力。壩基防滲帷幕距離壩上游面6.0 m，按壩體和廠房整體建基面考慮揚(yáng)壓力，滲透揚(yáng)壓力系數(shù)α1=0.5，α2=0.2；④淤沙壓力。淤沙高程為2 380.0 m；⑤浪壓力。壩址處多年平均風(fēng)速為1.6 m/s；⑥地震作用?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，基巖水平向地震動(dòng)峰值加速度為179 gal。結(jié)構(gòu)地震作用考慮地震慣性力和地震動(dòng)水壓力。地震慣性力通過反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算，地震動(dòng)水壓力采用附加質(zhì)量法施加，整個(gè)過程通過程序?qū)崿F(xiàn)；⑦彎道離心力。管道引用流量Q=280 m3/s，對應(yīng)管道內(nèi)流速為v0=5.04 m/s，根據(jù)規(guī)范計(jì)算彎道上水流離心力并按合力的水平、垂直分量近似施加到彎道管壁上。

本次計(jì)算考慮了2種荷載組合，具體見表3。表中，GK1為正常運(yùn)行工況，GK2為地震工況。

表3 荷載組合工況

2.3 計(jì)算模型

計(jì)算模型由壓力管道、壩體、廠壩分縫上游側(cè)副廠房、主廠房下部結(jié)構(gòu)及地基所組成，地基采用無質(zhì)量地基模型。計(jì)算時(shí)，模型絕大部分采用八結(jié)點(diǎn)等參單元，少量采用四面體單元；鋼管采用殼單元模擬；考慮廠房上部結(jié)構(gòu)的重量作用，采用附加質(zhì)量單元模擬[8-12]。地震工況庫水動(dòng)水壓力根據(jù)規(guī)范附加質(zhì)量公式計(jì)算，鋼管內(nèi)動(dòng)水壓力折算成鋼管密度考慮。模型網(wǎng)格如圖1所示，建?？紤]了廠壩分縫，縫寬取2 cm。計(jì)算模型中混凝土、基巖、管道鋼襯以及墊層均考慮為線彈性材料，未模擬管道外包混凝土中的鋼筋作用。管道外包混凝土與壩體混凝土接縫采用連續(xù)體模型[13-15]。

圖1 有限元計(jì)算模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 外包混凝土應(yīng)力

計(jì)算結(jié)果提取了管道A-A截面至E-E截面外包混凝土的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。圖2列出了E-E典型截面的應(yīng)力云圖。

圖2 典型斷面外包混凝土應(yīng)力云圖(單位：Pa)

從計(jì)算結(jié)果可以看出，對于外包混凝土軸向應(yīng)力而言，2.2節(jié)所述的兩種工況下，壩后管道外包混凝土軸向基本均呈受壓狀態(tài)，管道A-A截面至E-E截面，隨著管道截面高程的降低內(nèi)外側(cè)最大軸向壓應(yīng)力呈逐漸增大的趨勢。正常運(yùn)行工況E-E截面內(nèi)最大軸向壓應(yīng)力為1.98 MPa左右；地震動(dòng)作用可以降低或增大管道軸向壓應(yīng)力，以混凝土受拉情況控制，按不利地震動(dòng)方向組合，地震工況管道截面軸向應(yīng)力未出現(xiàn)拉應(yīng)力的情況，總體上軸向壓應(yīng)力水平較正常運(yùn)行工況要低。

對于外包凝凝土環(huán)向應(yīng)力而言，正常運(yùn)行工況下，外包混凝土最大拉應(yīng)力2.14 MPa，出現(xiàn)在下平段外包混凝土內(nèi)側(cè)，外側(cè)拉應(yīng)力小于內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力；地震工況下管道混凝土環(huán)向應(yīng)力分布規(guī)律與正常運(yùn)行工況基本類似，應(yīng)力計(jì)算值較正常運(yùn)行工況小(計(jì)算中計(jì)入設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，且不考慮管道內(nèi)水擊壓力)。從上游至下游，隨著管道內(nèi)水頭的升高，管頂外包混凝土環(huán)向拉應(yīng)力基本呈增大趨勢，因此混凝土內(nèi)配筋量應(yīng)逐步增大。

3.2 鋼襯應(yīng)力

圖3給出了不同計(jì)算工況鋼襯的MISES等效應(yīng)力分布云圖。根據(jù)不同工況計(jì)算結(jié)果可知，同一高程截面內(nèi)，墊層敷設(shè)范圍內(nèi)的鋼襯MISES等效應(yīng)力較大，下部與混凝土直接接觸的鋼襯MISES等效應(yīng)力較小。上部壩內(nèi)埋管的應(yīng)力比較小，下平段全包墊層鋼管應(yīng)力較大。

圖3 鋼襯應(yīng)力云圖(單位：Pa)

正常運(yùn)行工況下，壩后淺埋管道自上游至下游鋼襯逐漸變厚，雖水頭逐漸增大，但鋼襯MISES等效應(yīng)力變化不大；地震工況鋼襯MISES等效應(yīng)力相對較小。四種工況下，鋼襯應(yīng)力均滿足Q345R鋼材強(qiáng)度要求。

3.3 外包混凝土開裂規(guī)律

圖4給出了兩種工況管道包混凝土開裂區(qū)(混凝土第一主應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度的區(qū)域)分布。由于壩后淺埋管道為鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，抗震規(guī)范中未對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的取值進(jìn)行規(guī)定，因此，我們按照承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)要求驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全性，在考慮各類分項(xiàng)系數(shù)后采用混凝土靜態(tài)抗拉強(qiáng)度來評價(jià)管道外包混凝土的開裂范圍。兩種工況下，僅在管腰半包墊層末端部分出現(xiàn)局部范圍的拉應(yīng)力區(qū)。

圖4 鋼管外包混凝土開裂區(qū)分布圖

3.4 管槽分縫周邊壩體混凝土開裂規(guī)律

圖5給出了兩種種工況管槽分縫周邊壩體混凝土第一主應(yīng)力分布云圖。從計(jì)算結(jié)果可以看出，地震工況管道周邊壩體混凝土最大拉應(yīng)力值較大，正常運(yùn)行工況管道周邊壩體混凝土最大拉應(yīng)力值相對小一些。線彈性有限元計(jì)算，地震工況管道周邊壩體最大拉應(yīng)力不超過1.02 MPa，而溫降工況不超過2.73 MPa。

圖5 管槽分縫周邊壩體混凝土第一主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

為便于了解壩體混凝土開裂區(qū)分布范圍，圖6給出了四種工況淺埋管包混凝土開裂區(qū)(混凝土第一主應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度的區(qū)域，圖中灰色區(qū)域?yàn)殚_裂區(qū)，地震工況下考慮壩體素混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度較靜態(tài)抗拉強(qiáng)度有所提升)分布。兩種工況管道周邊區(qū)域壩體混凝土無明顯開裂。

圖6 管槽分縫周邊壩體混凝土開裂區(qū)分布圖

4 結(jié) 語

本文研究了某工程運(yùn)行期兩種不同荷載工況下管道外包混凝土、鋼襯和管道周邊壩體混凝土應(yīng)力及開裂情況，得到如下結(jié)論：

1)壩后管道外包混凝土軸向基本呈受壓狀態(tài)，隨著管道截面高程的降低內(nèi)外側(cè)最大軸向壓應(yīng)力逐漸增大。管道外包混凝土頂部內(nèi)外側(cè)均出現(xiàn)了明顯的環(huán)向拉應(yīng)力，從上游至下游，隨著管道內(nèi)水頭的升高，管頂外包混凝土環(huán)向拉應(yīng)力基本呈增大趨勢，在管腰半包墊層末端部分出現(xiàn)局部范圍的拉應(yīng)力區(qū)，因此混凝土內(nèi)配筋量應(yīng)逐步增大。

2)壩后管道半包墊層敷設(shè)范圍內(nèi)的鋼襯MISES等效應(yīng)力較大，下部與混凝土直接接觸的鋼襯MISES等效應(yīng)力較小。上部壩內(nèi)埋管的應(yīng)力比較小，下平段全包墊層鋼管應(yīng)力較大。正常運(yùn)行工況下，壩后管道自上游至下游鋼襯逐漸變厚，隨水頭逐漸增大，但鋼襯MISES等效應(yīng)力變化不大。地震工況鋼襯MISES等效應(yīng)力相對較小。兩種工況下，鋼襯應(yīng)力均滿足Q345R鋼材強(qiáng)度要求。

3)對于管道周邊壩體混凝土應(yīng)力而言，地震工況比正常運(yùn)行工況最大拉應(yīng)力值大。正常運(yùn)行工況僅管道周邊局部區(qū)域壩體混凝土開裂，未向壩體表面和深部延伸；地震工況壩下游面混凝土出現(xiàn)較大區(qū)域的開裂，向壩體內(nèi)部延伸較深。

4)地震工況下壩面混凝土的開裂主要是由于地震動(dòng)應(yīng)力較大，由于鋼襯上半圓設(shè)置軟墊層，鋼襯自身承擔(dān)了較多的內(nèi)水壓力，管道外包混凝土和周邊壩體混凝土分擔(dān)的內(nèi)水壓力很小，混凝土不易開裂?？紤]到管壩體結(jié)合面出現(xiàn)的拉應(yīng)力由地震作用產(chǎn)生，因此應(yīng)避免管道和壩體在地震作用下的不協(xié)調(diào)變形，管槽兩側(cè)管壩結(jié)合面采取工程措施保證管道和壩體的整體性是必要的，可以采用縫面設(shè)置鍵槽或分縫處灌漿的工程措施。