加勁環(huán)壓力管道加固方案對比與經(jīng)濟性評價研究

張鳳來

(遼寧省喀左縣凌河保護區(qū)管理局，遼寧 喀左 122300)

1 工程背景

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省丹東市寬甸境內(nèi)，與丹東市的距離約60 km。電站的裝機總?cè)萘繛?200 MW，建成后可以充分發(fā)揮東北電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷和事故備用等任務，對提高東北電網(wǎng)的安全運行水平具有重要意義[1]。電站由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房等組成。引水系統(tǒng)由上述庫進/出水口、引水隧洞和壓力鋼管組成，采用兩洞四機布置。其中，壓力鋼管的單管內(nèi)徑為4.0 m，設計引流量為33.35 m3/s，最大流速為2.65 m/s。壓力鋼管由16MnR鋼制作。壓力管線下層主要鋪設砂礫石土，在開挖的溝槽底部設置有厚度為40 cm的鋼筋混凝土墊層，兩側(cè)和頂部利用開挖的砂礫石料回填，平均回填深度2.0 m。

2 ANSYS有限元模型

2.1 有限元模型的構(gòu)建

對于水電站壓力鋼管的設計，規(guī)范規(guī)定對于復雜結(jié)構(gòu)壓力管道宜用有限元法進行計算[2]。近年來，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展以及大型有限元軟件的應用，使水電站地下輸水管道的應力和位移分析實現(xiàn)可視化。在現(xiàn)有有限元分析軟件中，ANSYS 功能強大，可以用于各種工程實際問題的求解，因此研究中選用ANSYS軟件進行背景工程有限元模型的構(gòu)建[3]。

在研究中以蒲石河抽水蓄能電站1號壓力鋼管進口段進行加固方案分析，利用ANSYS大型單位有限元分析軟件進行計算模型的構(gòu)建。該段鋼管的管壁厚度為12 mm，加勁環(huán)的間距為4.0 m。利用該段鋼管的幾何尺寸建立模型。在模型的構(gòu)建過程中，首先建立鋼管和加勁環(huán)模型，再添加模型底部的鋼筋混凝土墊板，最終形成整體模型[4]。

在ANSYS軟件中，提供了十分豐富的網(wǎng)格單元類型，這些單元結(jié)構(gòu)隨物理和力學參數(shù)的不同而不同，因此需要結(jié)合水工結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)選擇合適的模型單元[5]。例如在三維實體結(jié)構(gòu)中應該選擇3D實體單元。這類單元具有單個維度的自由度，可以對幾何實體的真實結(jié)構(gòu)進行較好的模擬?；诖?，選擇SHELL181四節(jié)點等參殼體單元進行鋼管和加勁環(huán)的模擬，利用8節(jié)點等參單元SOLID65進行墊層混凝土的模擬[6]。利用上述兩種單元對模型進行網(wǎng)格單元劃分，共獲得12 231個網(wǎng)格單元，14 465個計算節(jié)點，有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件與計算參數(shù)

在壓力鋼管加固方案的有限元分析過程中，采用彈塑性本構(gòu)模型[7]。對于計算模型的邊界條件，壓力鋼管和底部鋼筋混凝土墊板結(jié)構(gòu)應分為位移和應力邊界。在鋼筋混凝土墊板的底部施加位移邊界條件，也就是對墊板底部的單元施加全位移約束，對模型的兩側(cè)施加水平位移約束。在鋼管和混凝土墊板的左右兩側(cè)施加應力邊界條件，并主要考慮土壓力對鋼管以及鋼筋混凝土墊板的作用。對于鋼管周圍的土壓力計算，分別用豎向壓力和水平壓力表示[8]。其中，豎向壓力沿鋼管水平直徑方向均布，并以管頂?shù)耐翂毫榛鶞剩凰酵翂毫σ凿摴軅?cè)面直徑部位的土壓力為基準，并沿豎向直徑方向均布，在計算過程中均以郎肯主動土壓力公式計算。

加勁環(huán)鋼管的幾何尺寸上文已有明確敘述，這里不再重復。此次工程設計的回填土為細粒土含量大于12%的砂礫石。原狀土的標準貫入錘擊數(shù)大于50，由于土體的性質(zhì)容易受到各種環(huán)境因素的影響而改變，因此以壓實系數(shù)為85%，變形模量為2 MPa為參數(shù)進行計算?；谏鲜龇治?，研究中采用如表1所示的具體計算參數(shù)。

表1 工程材料計算參數(shù)

3 加勁環(huán)鋼管加固措施

3.1 工程加固參數(shù)范圍計算

在實際工程設計過程中，直徑和厚度是壓力管道設計的兩個重要參數(shù)，在確定過程中需要綜合考慮工程和經(jīng)濟需求。在此次研究中首先結(jié)合工程勘察報告與初步設計方案中的相關(guān)參數(shù)，利用構(gòu)建的有限元模型對其極限承載力進行試算，并將其作為最佳加固方案的選擇依據(jù)。結(jié)合工程實際，設置13 mm、14 mm和15 mm三種不同的管道壁厚以及加勁環(huán)間距，試算獲取管道的抗外壓臨界值，結(jié)果如表2所示。由表中的計算結(jié)果可以看出，當加勁環(huán)的間距小于10 m時，管壁的臨界外壓力值隨著加勁環(huán)間距的減小有十分明顯的增長，當加勁環(huán)間距大于10 m時，管壁的臨界外壓力值隨著加勁環(huán)間距的減小變化不大。同時，按照背景工程特點和相關(guān)規(guī)范要求，壓力鋼管的安全系數(shù)值取2.0，其對應的管道抗外壓穩(wěn)定壓力值為1.40 MPa。因此，當鋼管的壁厚為13 mm和14 mm時，加勁環(huán)的間距不應小于4 m，當鋼管壁厚為15 mm時，加勁環(huán)的間距不應小于5 m。

表2 不同壁厚和加勁環(huán)間距抗外壓臨界值計算成果

3.2 加固方案與評價

由于工程的初始設計為光面埋地鋼管，壁厚為13 mm。由上表中的數(shù)據(jù)可以看出，加勁環(huán)間距為15 m時的抗外壓臨界值僅為0.59 MPa，顯然采用光面埋地鋼管是不能滿足1.40 MPa的規(guī)范要求的。因此必須要采取加固措施。在加固方式方面，主要有增加壓實系數(shù)和增加壁厚兩種基本思路。

對于增加壓實系數(shù)，研究中設定85%、95%和100%三種不同的回填土壓實系數(shù)，并對其臨界外壓值進行計算，結(jié)果如表3所示。由計算結(jié)果可以看出，臨界外壓值最大的是回填土壓實系數(shù)95%、加勁環(huán)間距4 m方案。同時，從表中還可以看出，壓實系數(shù)對結(jié)果的影響相對較小，而加勁環(huán)間距的影響較大。另一方面，滲透水和地層擾動等因素均會對回填土的綜合變形模量產(chǎn)生較大的影響，因此，減小加勁環(huán)間距方案要明顯優(yōu)于增加回填系數(shù)方案。

表3 增加壓實系數(shù)方案計算結(jié)果

在增加壁厚方面，在原有13 mm厚度的基礎上，增加14 mm和15 mm兩種厚度方案，對臨界外壓值進行計算，結(jié)果如表4所示。由表中的結(jié)果可以看出，增加管壁厚度雖然有助于提高臨界外壓值，但是其影響遠沒有加勁環(huán)間距的影響作用更大。由此可見，減小加勁環(huán)間距也明顯優(yōu)于增加壁厚方案。

表4 增加鋼管壁厚方案計算結(jié)果

綜上所述，在埋地鋼管加固方面，減小加勁環(huán)間距要明顯優(yōu)于增加回填土壓實系數(shù)和增加鋼管管壁厚度。因此，建議在工程設計中采用減小加勁環(huán)間距的加固方案。

3.3 經(jīng)濟性分析

背景工程的壓力鋼管段長為39 m，為了滿足壓力鋼管抗外壓承載力的要求，不同壁厚鋼管的加勁環(huán)最大間距不同?，F(xiàn)就不同設計方案的綜合造價進行預估計算，結(jié)果如表5所示。由表中的計算結(jié)果可以看出，在保持原始方案壁厚的情況下，增加加勁環(huán)的加固方案下工程經(jīng)濟性方面要明顯優(yōu)于增加管壁的壁厚而減少加勁環(huán)個數(shù)的加固方案。因此，在工程設計中建議采取保持13 mm的原始設計壁厚不變，間隔4 m設置加勁環(huán)的加固方案，不僅可以保證工程的安全性，還具有較好的工程經(jīng)濟性。

表5 不同方案綜合造價預估結(jié)果

4 結(jié) 論

此次研究以蒲石河抽水蓄能電站為例，利用數(shù)值模擬的方法探討了淺埋壓力鋼管加固方案，并獲得如下結(jié)論：

(1)隨著加勁環(huán)間距的增大，鋼管的抗外壓臨界值迅速減小并逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)從抗外壓臨界值來看，減小加勁環(huán)間距要明顯優(yōu)于增加回填土壓實系數(shù)和增加鋼管管壁厚度加固方案。

(3)在保持原始方案壁厚的情況下，增加加勁環(huán)的加固方案下工程經(jīng)濟性方面要明顯優(yōu)于增加管壁的壁厚而減少加勁環(huán)個數(shù)的加固方案。

(4)綜和研究結(jié)果，建議背景工程壓力管道設計中采用保持13 mm的原始設計壁厚不變，間隔4 m設置加勁環(huán)的加固方案。