吉沙水电站高压钢岔管外包混凝土的受力研究.pdf

第 3 8 卷第 3 期 2 0 1 2年3 月 水 力 发 电 吉 沙 水 电站 高 压 钢 岔 管外 包 混 凝 土 的 受 力 研 究 张红梅 ，王志 国 ( 中国水 电顾 问集 团北京斟测设 计研 究院 ，北京1 0 0 0 2 4 ) 摘要 ：吉沙水 电站 引水 系统采用对称 “ Y”形 内加强 月牙肋型钢岔管 ，分岔角为 7 0 o 。设计 内水压力约 6 5 2 2m水 头 ，按明管设计 ，岔管布置在洞外 ，采用 明挖 凰填 ，外设钢筋混 凝土镇墩 。由于施工原 因，造成 岔管 主体一部分位 于山体内 ，一部分位于洞外 ，使岔管外 围约束不连续 。为此 ，对 岔管 、外包混凝土及围岩整体进行 了三维有 限元计 算分析 ，对不同边界条件 下的受力状态进行 了比较系统的计算研究 和总结 ，以供岔管 实际运行期分析参考 。 关键词 ：高压钢岔管 ；钢筋混凝土镇墩 ；沉降 ；缝隙 ；吉沙水 电站 S t u d y o n t h e S t r e s s o f Hi g h - p r e s s u r e S t e e l Bi f u r c a t i o n Co n c r e t e En c a s e me n t i n J i s h a Hy d r o p o we r S t a t i o n Z h a n g Ho n g me i ， W a n g Z h i gn o ( H y d r o C h i n a B e ij i n g E n g i n e e ri n g C o r p o r a t i o n ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e s y mme t r i c a l Y- t y p e s t e e l b i f u r c a t i o n w i t h c r e s c e n t r i b i s u s e d i n t h e d i v e r s i o n s y s t e m o f J i s h a Hy d r o p o w e r S t a t i o n T h e b r a n c h a n g l e i s 7 0 。 ， a n d t h e b i f u r c a t i o n i s d e s i g n e d o n t h e c o n d i t i o n o f e x p o s e d a r r a n g e me n t a n d wi t h i n t e r n a l w a t e r h e a d o f a b o u t 6 5 2 2 mT h e ma i n b o d y o f b i f u r c a t i o n i s a r r a n g e d i n d i v e rsi o n t u n n e l ，a n d t wo b r an c h e s a r e a n n g e d o u t s i d e t h e d i v e rsi o n t u n n e l and s u p p o r t e d w i t h r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n c h o r a g e b l o c k B e c a u s e the a c t u a l c o n s t r u c ti o n d o e s n o t me e t t h e d e s i g n s c h e me ，t h e c o mp l e t e d b i f u r c a ti o n i s a ff e c t e d b y d i s c o n ti n u o u s e x t e rnal c o nst r a i n t s Th e s t r e s s e s o f b i f u r c a t i o n c o n c r e t e e n c a s e me n t and t u n n e l s u r r o u n d i n g r o c k u n d e r d iffe r e n t b o u n d a r y c o n d i ti o n s a r e a n aly z e d b y t I l 】 e e d i me n s i o n a l f i n i t e e l e me n t me t h o d Th e r e s u l t s p r o v i d e a r e f e r e n c e t o the a c t u a l o p e r a ti o n Ke y W o r d s ： h i g h - p r e s s u r e s t e e l b i f u r c a t i o n ； r e i n f o r c e d c o n c r e t e anc h o r a g e b l ock ； s e t t l e me n t ；g a p ； J i s h a Hy d ropo w e r S t a ti o n 中图分类号 ： T V 7 3 2 4 1 ；T V 3 3 2 ( 2 7 4 ) 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 2 ) 0 3 - 0 0 6 5 - 0 4 1 问题的提出 吉 沙 水 电站 引水 系统 总 长 约 1 5 5 8 k m，采 用 一 管 二 机 供 水 方 式 ，在 距 厂 房 中心 线 3 5 1T I 处 布 置 岔 管 ，岔 管采 用对 称“ Y”形 内加强 月牙肋 型钢 岔 管 ， 分 岔 角为 7 0 。 。岔管 中心高 程 2 5 8 8 5 IT I，设 计 内水 压 力 约 6 5 2 2 i r l 水 头 ，主 管 内径 2 3 n l ，支 管 内径 为 1 4 r n，按 明 管 设 计 ，管 壳 最 大 厚 度 为 4 6 1 T i m，岔 管 布置在 洞外 ，采 用 明挖 回填 ，外设 钢 筋混 凝土 镇 墩 ， 碎 石 回填 至 2 5 9 9 1 5 n l高程 。 为 加 快施 工 进 度 ，高压 管 道 下 平段 采 取 了提 前 进 洞 的措 施 洞 口岔 管 位 置欠 挖 较 大 ，进 洞 位 置 比 设 计 开挖 线 少挖 6 m 多 。施 工过 程 中 ， 由于种 种 原 因一直 没 能 实施 扩 挖 ，影 响 了岔 管 外包 钢 筋 混 凝 土 镇 墩 的施 工 ，使 镇 墩 体 形 达不 到 设 计要 求 。后 期 厂 房 主体 工 程 已施 工 完成 ，发 电工期 迫 在 眉睫 洞 口 为 下平段 钢 管安装 的 唯一通 道 ，洞 口边坡 高度较 大 ， 扩 挖 不仅 施 工 场地 小 ，影 响厂 房后 边 坡 的稳 定 。 如 不 扩挖 ，使 下平 段 钢 管进 洞 点 位 于岔 管 中心 点下 游 1 I n左 右 的位 置 ，岔 管 主体 一 部 分位 于洞 内 ，一 部 分 位 于洞 外 ，使 岔 管外 围约 束不 连 续 ，且 镇 墩难 以 布 置 不 能 满 足 体 积 要 求 ， 同 时 镇 墩 基 础 为 强 风 化 板 岩 ，变 形 模 量 较 小 ， 易 产 生 不 均 匀 沉 陷 ，恶 化 了 岔 管 受力 条 件 。为 实 现发 电 目标 ，同时 使岔 管 满足 设 计 要求 ，应 业 主要 求设 计 进行 了减 小扩 挖 量 的方 案 研 究 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 1 2 一 l 2 作者 简介 ：张红梅 ( 1 9 6 6 一 ) ，女 ，湖 北武汉 人 ，高级 工程 师 ， 硕士 ，从事水电工程设计 工作 W t e r P o w e r V o 1 3 8 N o 3 固 2 有限元计算分析 2 1 有限元计算参数 为 了计 算 分 析地 基 沉 降对 钢管 应 力 的影 响 、岔 管 与 外包 混凝 土 的受力 状 态 以及 二者 在 不 同 的条 件 下 分 担 内水 压力 的 比例 ，对岔 管 、外 包 混凝 土 及 围 岩 整 体进 行 了三 维有 限元 计 算 分 析 ，整 体结 构 计算 模 型详 见 图 1 a 。岔管模 型及控 制点 位置 见 图 1 b 混 凝 土 、钢 材 、垫 层 材 料及 围岩 材 料参 数 见 表 1 。本 文 重点 分析有 代表 性 的工况组 合 。 一 图 1 岔 管整体计算模型 表 1 混凝 土、 钢材、 垫层材料及 围岩参数 工况 1 ：镇 墩 不 均匀沉 降 工况( 施 工期 ) 。 即镇 墩混 凝土 自重 作用下 的不 均匀沉 降 ，施 工期 无 内水 。 工况 2：镇墩 不均 匀沉 降 +内水压 力作用 + 不 考 虑 缝 隙 的 完 全 联 合 承 载 工 况 。计 算 过 程 中在 桩 号 S1 5 + 2 3 8 4 9 8和 $ 2 1 5 + 2 5 4 0 6 0 处 设 置 了 厚 度 为 2 0 c m 的 软垫 层 。其 中 ，桩 号 S 1 5 + 2 3 8 4 9 8上游 方 向铺 设 长 度 为 O 7 5 m，下 游 方 向铺 设 长 度 为 O 5 m。 工 况 3：镇墩 不 均匀沉 降 + 内水压 力作 用+ 考虑 缝 隙 的联 合承 载 工况 。假定 初 始缝 隙为 钢管 半 径 的 5 1 0 0 0 0 即 0 5 7 5 mm。 工 况 4：镇 墩 不 均匀 沉降 +内水 压 力作 用 +考 虑 缝 隙 + 混 凝 土 充 分 开 裂 的 承 载 5 12 况 。 假 定 初 始 缝 隙为 钢 管 半径 的 5 1 0 0 0 0 ，即 0 5 7 5 mm，混凝 土 充 分 开 裂情 况 本 文 采用 降 低外 围混凝 土 变 形模 量 方 法 模拟 ，分 别降 低为原 混凝 土 的 0 1和 0 O 1 。 工 况 5：镇墩 不 均匀 沉 降 +内水 压力作 用 +不 考虑 缝 隙 +混凝 土充 分开 裂 的承 载工 况 。混凝 土充 分 开裂 情 况 ，本文 采 用 降低 外 围混 凝 土 变形模 量 方 法模 拟 ，分别 降低 为原混 凝 土的 0 1和 0 0 1 。 以下计 算 成果 分 析 中 ，将 工 况 4放 人工 况 3一 并 分析 工况 5的情况 和工况 4近 似不再 赘述 。 圈W a t e r P o w e r V o 1 3 8 N o 3 2 2 计算 成 果分析 工 况 l 镇 墩不 均 匀 沉 降工 况 ：在 自重 作 用 下 ，发 生 不 均 匀 沉 降 ，最 大 位 移 为 0 9 4 mm并 在 钢 管 跨缝 位 置 产生 一定 的应 力集 中 ，由于 没有 内水 压力 作 用 ，岔 管整 体 应力 不 大 ，过 缝 处 的钢管 等效 应 力( Mi s e s )应 力最 大值 为 6 9 9 MP a，各控 制 点 的 Mi s e s 应 力 见 图 2。 控制点 图 2 岔管各控制点的 Mis e s应力 从 图 2可 看 出 ，控 制 点 A位 于 洞 内洞 外 混 凝 土 分 缝 处 ，应 力 集 中较 大 。肋 板应 力 受 不均 匀沉 降影 响 ，最 大应 力 区偏 向 了肋 板 下 部 中 间 最 大 Mi s e s 应 力 为 2 5 4 MP a 。 由于受 围岩 约束 影 响 上 游 部分 混 凝土产 生 一定 的拉 应力 ，最 大拉应 力 为 1 4 6 MP a 。 工况 2 一 镇 墩不 均匀 沉 降+内水 压力作 用 下不 考 虑 缝 隙 的完 全 联合 承 载 工况 ：此 工 况 为外 包混 凝 土受 力 的最 不 利 工况 ，外 包 混 凝土 分 担 岔管 内水 压 力 最 大 ，钢 岔 管 承担 的内水 压 力最 小 。这 是 一 种假 想 工 况 ，实际 外 包混 凝 土 与钢 岔管 表 面 肯定 是存 在 缝 隙 的 。此时 分 缝下 游侧 围岩 变 形模 量 为 1 0 GP a ， 上游 侧 围岩变形 模量 取 4 0 GP a 。 在镇 墩 不 均匀 沉 降和 内水压 力 共 同作用 下 ，混 凝 土 和钢 管 、肋 板 均呈 现 出不 同的受 拉 状 态 ，各 控 制点 的 Mi s e s应力 见 图 3 。从 图 4 6中可 看 出 ，不 考 虑缝 隙值 的 完全 联合 承载 方 案 ，除 了过 缝处 铺 设 垫 层位 置 的钢管 应 力 超过 2 o 0 MP a外 ，其余 管 段 的钢 材 应力 均在 9 0 MP a以下 。肋板 的应力也 不大 ，最大 应力 区位 于肋 板 中部 ，最 大 Mi s e s 应 力为 8 1 6 7 MP a 。 从 图 6可 以看 出 ，在 内水 压 力作 用 下 ，混 凝 土 承 受 较 大部 分水 压 力 ，出现 大 范 围的 受拉 区域 。其 中 ，在管 腰位 置 几乎 全 断 面超 过 C 2 0混凝 土 的设 计 抗拉 强度 ，最大拉 应力 为 8 1 MP a 。 取岔 管 中心 和 支管 两 个 断面 分 析外 包 混 凝 土 的 应力 ，其 中岔 管 中心 断 面可 以作 为主 管 和岔 管 段 控 制配 筋 的断 面 ，支管 断 面可 以作 为支 管段 控 制 配 筋 的控 制 断 面计 算 各截 面 的合 力 、配筋 及 分担 内水 乐 力 的 比例( 如 表 2所 示 ) 。 从 表 2可 看 出 ，岔 管 中心 断 面 的混 凝 土 承担 了 很 大部分 的水压 力 ，在左 右腰 部位置 ，分 担 了 7 5 7 的内水压 力 ，要求 的配 筋面积达 到 了 1 7 6 2 9 e l T l ；支 第 3 8 卷第 3 期 张红梅 ， 等： 吉沙水电站高压钢岔管外包混凝土的受力研究 A B C D E F G H O 控制点 图 3岔管各控制点 的 Mis e s应力 图 4 不考虑缝 隙时钢 管 Mis e s应力( 单位 ：MP a ) 图 5不考虑缝隙时肋板 Mi s e s应力( 单位 ：MP a ) 图 6不考虑缝 隙时混凝土第一主应 力( 单位 ：MP a ) 管 断 面 的混 凝 土 承担 的 内水 压力 较 小 ，但 最 大 也 达 到 了 6 5 2 要 求 的 配筋 面积 为 7 5 1 2 c m 。 工 况 3 ( 4 ) 镇墩 不 均 匀沉 降 + 考虑 缝 隙 的联 合 承 载工 况( + 混 凝 土 充 分开 裂 ) 。 实 际上 ，外包 混 凝 土 与钢 岔 管 表 面是 存 在缝 隙 的 ，缝 隙值 的 大 小 与 混 凝 土 的收 缩 量 、施 工 质 量 有 很 大关 系 。本 文假 定 初 始缝 隙为 钢 管 半 径 的 5 1 0 0 0 0，即 0 5 7 5 1 13 1 。此 时 钢管 在 内水 压力 作 用 下 ， 向外 变 形 ，首 先填 满 缝 隙 钢 管 单 独承 担 一 部 分水 压 力 ，然 后 与外 围混 凝 土联 合承 担余 下水 压 力 。 表 2控制断面配筋计算 在 镇 墩不 均 匀 沉 降 和 内水 压力 共 同作 用 下 混 凝 土 和钢 管 、肋 板 均 呈 现 出不 同的受 拉 状态 ，各 控 制 点 的 Mi s e s应 力 详 见 图 7中 工 况 3及 图 8 1 0。 重 菩 控制点 图 7 岔 管各控制点的 Mi s e s应 力 图 8考虑缝 隙的联合承载时钢管 Mis e s应力( 单位 ：MP a ) 图 9考虑缝隙时肋板 Mis e s应力( 单位 ：MP a ) 从 图 7 1 O中可 看 出 对 于 考 虑 缝 隙 值 的 完 全 联 合 承 载 方 案 ，与 工 况 2相 比 钢 管 的 整 体 的 拉 应 力 有 明 显 增 加 ，C点 的 应 力 增 加 最 多 ，增 加 了 9 0 6 MP a；但 在 垫 层 附 近 的 应 力 集 中现 象 明 显 降 低 ，A点 的 位应 力 降低 了 3 2 6 MP a 而 由 于肋板 外 侧 未 考 虑 缝 隙值 ， 因此 肋板 应 力增 加 幅度 不 明显 W a t e r P o w e r V o 1 3 8 N o 3 囫 况 一 工 _ 一 一 r ， 、 、 一 一 一 姗 姗 如 o R避 图 1 0考 虑 缝 隙 时 混 凝土 第 一 主 应 力 ( 单 位 ：MP a ) 最 大 应 力 区 位 于 肋 板 中部 ，最 大 Mi s e s应 力 8 4 5 MP a。 比 工 况 2增 加 了 2 8 MP a 。 同 时 ， 由 于 混 凝 土 联 合 承 担 的 水 压 力 部 分 降 低 较 多 ， 因此 混 凝 土 应 力 也 有 较 为 明 显 的减 小 ，最 大 拉 应 力 3 7 MP a ， 比工 况 2降 低 了 4 4 MP a ；但 混 凝 土 仍 呈 现 全 断 面 受 拉 状 态 。 取 岔管 中心 和支 管 两个 断 面分 析 外包 混 凝 土 的 应力( 其 中岔 管 中心断 面 可 以作 为 主管 和 岔管 段 的 控 制 配 筋 断 面 支 管 断 面 可 以 作 为 支 管 段 的 控 制 配 筋控 制 断面 ) ，计算 结果 见表 3 。 表 3 控制断面配筋计算 从 表 3可 看 出 考 虑 缝 隙 影 响 后 ， 外 围 混 凝 土 应 力大 幅 减 小 。岔 管 中心 断 面混 凝 土仍 承 担 了较 大 部 分 的内 水压 力 ，在左 右腰部 位 置分 担 了 3 0 8 7 的 内水 压力 ，要 求 的 配筋 面积 也 达到 了 5 8 41 C l X 1 。 ；支 管断 面混 凝 土 承担 的 内水 压 力 部分 较 小 ，但 最 大也 达到 了 2 2 3 4 ，要求 的配筋 面 积为 2 5 7 5 c m 。 由此 可 见 ，即使 岔管 按 明管 设计 ，考 虑 一 般施 工条 件形 成 的施 工 缝 隙 ，由于 岔 管变 形 ，仍 将 使外 包混 凝 土产 生 较 大拉 应力 。这 也是 实 际工 程 中 ，大 部分 明管镇 墩 和外包 混凝 土开 裂的 原因 。 在 内水 压 力作 用 下 ，假 定 混凝 土 充分 开裂 ，此 时 混 凝 土 的 弹性 模 量取 为原 来 的 0 1来 计 算 各 控 制 点 的 Mi s e s应力( 见 图 7中工况 4 ) 。从 图 7可看 出 ， 混 凝 土充 分 开 裂后 ，与 工况 3相 比 ，除过 缝 处 ，即 除 A 点外 ，其 余 部位 的 钢管 和肋 板应 力 都有 明显增 加 。进 一 步降 低 外 围混 凝 土 的变 形模 量 ，取 原 有混 凝 土 变形 模 量 的 0 O 1计算 各 控 制 点 的 Mi s e s应 力 见 图 7中工 况 5 。从 计 算结 果 可 以看 出 ，除过 缝 处 钢 管 。即 A点外 ，其余 部位 的 钢管 和肋 板 的应 力进 一 步增 加 。其 外 围混 凝 土几 乎 不起 作 用 ，钢 管整 体 应 力水 平 与 明管 方案 相 当 ，甚 至肋 板 上局 部 点 的应 力 已经 超过 明管方 案 。 3 结论 ( 1 )施 工 期 ，岔 管洞 内洞外 部 分 扩挖 方 案 的 镇 墩 混凝 土重力 作用造 成基 础岩石 沉 降 ，但 数值 不大 ， 最 大 位 移 为 0 9 4 mm；而 对 运行 工 况 岔 管 混凝 土 洞 内洞 外交 界 处钢 管 的应 力 影 响较 大 ，引 起 了 明显 的 应 力 集 中 。 ( 2 )在考 虑 镇墩 基 础 不均 匀 沉降 的基础 上 ，考 虑 混 凝 土 与钢 岔管 完 全联 合 承 载且 不考 虑 初始 缝 隙 时 ，钢管 整体 应力 状态 均较 小 ，数值普 遍 在 6 5 MP a 以 下 ，肋 板 上仅 仅 出现 了 8 1 6 7 MP a的最 大值 ，但 是 上 游 钢管 过 缝处 出现 了一 定 的应 力 集 中 ，局 部 的 最 大 主 应 力 达 到 了 2 3 5 2 5 6 MP a ；而 此 时 混 凝 土 承 担 了很 大 部分 的 内 水压 力 ，在 主管 基 本锥 和 过渡 锥 相 贯 线 断 面位 置 分担 了 7 5 7 的 内水 压 力 ；支 管 断 面混 凝 土 承担 的 内水 压力 部 分 较小 ，但最 大 也 达 到 了 6 5 2 。 混 凝 土 出 现 了 较 大 范 围 的 拉 应 力 超 过 混 凝 土设 计 抗拉 强 度 的 区域 ，其 中在 管 腰位 置 几 乎 全 断 面超 过 C 2 0混 凝 土 的设 计 抗 拉强 度 ，最大 拉 应 力 为 8 1 MP a 。 ( 3 )在 考虑镇 墩基 础不均 匀沉 降影 响 的基础 上 ， 同 时考 虑初 始 缝 隙 的影 响时 ，钢岔 管分 担 的内水 压 力 有 所 增 加 ，C点 的 局 部 最 大 主应 力 已达 到 1 5 7 8 MP a，比不 考 虑缝 隙 的工 况 应 力增 加 了 1 01 3 MP a， 但 比明管 不考 虑 外 包混 凝 土状 态 的应 力 减小 了 6 7 3 MP a ：而 此 时 混 凝 土 承 担 了较 小 部 分 的 内水 压 力 ， 在 主管 基 本 锥 和过 渡 锥 相 贯 线 断 面 位 置 ，分 担 了 3 0 8 7 的 内水 压 力 ：支 管 断 面混 凝 土 承 担 的 内水 压 力 较 小 ，最 大 为 2 2 3 4 。混 凝 土 拉 应 力 超 过 其 设 计抗 拉 强 度 的 区域 有 了明显 减 小 。由于 混凝 土 联 合 承 担 的 内水压 力 降 低较 多 ，因此 混凝 土 应力 也 有 较 为 明显 减 小 最 大拉 应 力 为 3 7 MP a ， 比不 考 虑 缝 隙 降低 了 4 4 MP a ；但 混 凝 土 仍 呈 现 全 断 面 受 拉 状 态 。 ( 4 )在 考 虑镇 墩 基础 不 均 匀沉 降 的基 础 上 ，考 虑混 凝 土 在 内水 压 力作 用 下充 分 开 裂 。本 文分 别按 开 裂 后 的混 凝 土变 形模 量 为原 有 模 量 的 0 1和 0 0 1 计 算 ，结 果 表 明 ：随着 混 凝 土变 形模 量 的 减小 ，钢 管 承 担 的 内水 压 力 逐渐 增 大 ，其 应 力 也 逐 渐 增 加 ， 后 者 的钢管 应力基 本 与明管 方案相 当 。 ( 责任编辑 陈 萍)