水电站放空洞混凝土和钢管联合封堵系统设计.pdf

第 4 7卷 第 1 7期 2 0 I 6 年 9月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r Vo 1 4 7 No 1 7 S e p，2 01 6 文章 编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 6 ) 1 7 0 0 5 6 0 4 水电站放空洞混凝土和钢管联合封堵系统设计 姚 敏 杰， 高 雅 芬 ( 中国电建 集团 华东勘测设计研究院有 限公司 ， 浙江 杭 州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要 ： 某水 电站水库库底放 空洞 因进 水 口检修 闸门长期挡水及 无法 紧急 下闸 ， 需进 行后 期改 建。从减 少经 济 投入 考虑 ， 改建采 用由混凝 土封堵体 、 预埋钢管、 钢制封 头和进人 孔构成的联合封 堵结构， 其 中混凝土封堵体、 预埋钢 管、 钢制封 头的承压 受力结构较 为明确 ， 可分别进行计 算。钢制封 头上设进人孔会使 封头 开孔 处产 生 显著的局 部应力成为结构的薄弱点 ， 需采 用三维有 限元分 析计算 。详 细论述 了放 空洞封堵 系统各部 位的设 计 。 其方 法可 为类似 X - 程封堵设计提供参 考。 关键词 ： 封堵 系统；进人孔 ； 放 空洞 ； 水 电站 中图法分类号 ： T V 3 3 文献标志码 ： A DOI ： 1 0 1 6 2 3 2 j e n k i 1 0 0 1 4 1 7 9 2 0 1 6 1 7 0 1 2 1 工程背景 某水电站水库库容接近 8亿 m ， 大坝为混凝土面 板堆石坝， 最大坝高 8 5 5 m， 属大( 二 ) 型工程 。库底 布置放空洞 ， 具备水库放空功能 ， 该放空洞曾作为施工 期导流洞用 ， 水库蓄水后作为放空洞保 留。因历史原 因， 放空洞并未完成进水 口事故闸门的改建 ， 仅在进水 口设置了 4 5 。 倾斜布置的检修闸 门， 也未做封堵处 理 便投人使用。 自水库蓄水 2 0余年来 ， 放空洞长期采用 进水 口检修闸门挡水 ， 闸门本身无法得 到正常 的维护 保养， 存在水库运行期闸门承压挡水的风险； 如提起检 修闸门， 采用放空洞洞身和 出口弧形 闸门挡水 ， 洞身出 口段因水文地质条件复杂 、 覆盖厚度小、 修建时混凝土 衬砌结构缺陷广泛存在等不利条件 ， 无法 长期承受 内 水压力 ， 存在不安全因素。 类似工程导流洞在水库初期蓄水 时， 部分直接采 用混凝土封堵体封堵 ， 水库不再具备专门的放空洞 ； 部 分有条件改建的， 且坝高较高、 库容较 大的， 改建 为永 久放空洞 ， 作为战争 、 地震等突发情况时的放空通道。 对 于设置放空洞 ， 目前规范并没有强制性 的规定。曾 有文献记录， 坝高在 1 5 0 m 以下的 3 1座坝的统计 中， 专门设置放空洞的有 8个工程 ； 没有专门设置放空洞 ， 但其它泄水建筑物( 泄洪洞 、 排 沙洞 ) 进 口高程较低 ， 具有一定的放空功能的， 有 1 4个工程 ； 其余 9个工程 发电引水建筑物高程最低 。该工程 已安全 蓄水 2 0 余年 ， 进水 口已没有条件进行事故闸门的改建 ， 即便 出 口段 进行 加 固改建 ， 洞 身及 出 口弧 门承压 挡水 后 ， 水库 放空时仍存在进水 口检修 门无法 紧急下 闸运 行 的风 险。若采用混凝土封堵 体直接封堵， 水库 中最低 高程 的发 电引水 建筑物无法保证水库放空。针对 上述条 件 ， 遵循保 留水库放空功能的原则 ， 并考虑电厂实际的 财务状况， 设计方推荐分期改建的设计方案 ， 以缓解工 期和投资方面的压力。1 期工程采用在检修 闸门下游 侧设封堵系统 的加 固改建方案 ， 用封堵系统代替检修 闸门承压挡水 ， 从而消除了水库运行期检修闸门承压 挡水的风险， 见图 1 。封堵系统由混凝 土封堵体 、 预埋 钢 管 、 钢制封 头 和进人 孔组 成 ， 钢 管 ( 直 径 3 0 m) 埋设 在混凝土封堵体 ( 直径 6 0 m) 内， 末端采用钢制封头 封闭 ， 在钢制封头上布置进人孔。封堵系统形成后 ， 运 行期利用封堵 系统承压上游侧水库库水压力 ， 封堵 系 统上游侧充满水 ， 下游侧 无水 ， 此 时， 检修 闸门处于关 闭状态， 两侧平压 ， 避免检修 闸门长期挡水 的不利 工 况 。检修闸门需要巡视检修时， 通过封堵系统底部预 埋的排水管将检修闸门和封堵系统之 间的水体放 空， 利用检修闸门临时挡水 ， 再 打开进人孑 L 进入封堵系统 上游侧对检修闸门背水面进行巡视检修。2期工程采 收稿 日期 ： 2 0 1 6 0 2 2 0 作者简介 ： 姚敏 杰 ， 男， 工程师 ， 主要从 事水工结构方面的设计 工作 。Em a i l ： 1 7 2 9 7 6 4 7 0 q q c o rn 58 人 民 长 江 状系 数， K= 2 + ( ) ， 其值 可以 查表 压力 容 。 ，正 器 第 3部分 ： 设计( G B 1 5 0 32 0 1 1 ) 表 51 得 到， ， ) 当 =2时 ， 取值为 1 ； h 为凸形封头 内曲面深度 ， 厶 m m； P 为计算压力 ， MP a ； D 。 为封头内径或与其连接 的圆筒内直径 ， m m； D 。 为封头外径或与其连接的圆筒 外直径 ， I n m； 为设 计温度下 封头材料 的许用 应 力 ， 采 用 Q 3 4 5 R钢材 ， 取 1 8 5 MP a ； 为焊 接接头 系数 ， 取 为 0 8 5 。 根据式 ( 3 ) 、 式( 4 ) 计算 ， 因要在钢制封头开孑 L 布 置进人通道 ， 封头厚度按加厚设计 ， 取值为 2 6 mm。 3 进人孔设计 进人孔采用在封头结构上开孑 L 接管结构 ， 由此会 在封头的主体结构上产生显著的局部应力集 中， 成为 结构的薄弱点 ， 开孔处的最大应力发生在孔 口周边 ， 最 大应力理论上为环向应力的 3倍。采用有限元计算软 件进行计算 ， 以确保结构设计安全可靠 “ 。 3 1 计算方法 计算软件采用 A N S Y S通用有 限元计算软件。钢 管采用 s h e l l 6 3单元模拟 ， 在 网格划分时考虑了结构的 几何形状 、 受 力 特性 和 材料 分 区 ， 计 算单 元 总数 为 4 1 2 5 ， 节 点 总数为 4 1 5 6 。 3 2 计算分析 根据初步估算 的钢制封头和进人孔接管厚度 ， 进 行 三维 有 限 元 建 模 。计 算 厚 度 取 为 实 际 厚 度 扣 除 2 mm腐蚀厚 度。首 先 ， 保 证 预埋 钢 管 ( 计算 厚 度 1 8 mm) 、 进人孔接管 ( 计算厚度 2 2 m m) 厚度不变 ， 对钢 制封头不同厚度进行敏感性分析 ， 得到封头开孔处接 管和封头本身的最大应力值 ， 见表 1 。其次， 保证预埋 钢管( 计算厚度 1 8 m m) 、 钢制封头( 计算厚度 2 4 m m) 厚度不变 ， 对进人孔接管不 同厚度进行敏感性分析 ， 得 到封头开孔处接管和封头本身的最大应力值 ， 见表 2 。 表 1 封头不 同厚度应 力计算成 果汇总 封头厚度接管应力值封头应力值 封头厚度接管应力值封头应力值 mm MP a MP a mn l MP a MP a 2 0 1 7 6 5 3 1 7 4 4 2 2 6 1 5 4 1 4 1 3 5 7 4 2 2 1 6 7 9 4 1 5 9 1 3 2 8 1 4 8 4 4 1 2 6 6 2 2 4 1 6 0 5 7 1 4 6 4 3 钢制封头和进人孔 接管采用不同厚度 ， 得到的封 头开孔处接管和封头本身的应力趋势图 ， 分别见 图 3 、 图 4 。由此可见 ， 采用封头厚度 2 6 mm( 计算厚 度 2 4 m m) ， 接管厚度 2 4 m m( 计算厚度 2 2 mm) 时， 进人孔 接管的最大应力值可满足钢管抗力限值 1 6 4 8 MP a的 要求 ， 钢制封头 的最大应力值可满足 1 5 7 2 5 MP a ( 许 用应力 焊接接头系数) 的要求 。 表 2 接 管不 同厚度应 力计算成果汇 总 封头厚度接管应力值封头应力值 封头厚度接管应力值封头应力值 mm MP a MP a mm MP a MP a 1 8 1 9 2 2 7 l 5 8 7 4 2 4 1 4 8 3 5 1 4 1 4 5 2 0 1 7 5 0 3 1 5 2 1 1 2 6 l 3 7 9 O 1 3 6 9 6 2 2 1 6 0 5 7 1 4 6 4 3 一 一一 接管许用应力 接管 8 M pI 6 4 8 d l应 力 值 +封 头 不 同 厚 度 时 ， 封 头 应 力 值 一 封头许用应 力1 5 7 2 5 M P a 0 1 b l 2 0 Z 2 4 2 6 3 0 厚度 m m 注 ： 封头许用应力 焊接 接 头 系数 ， 采用 Q 3 4 5 R钢 材， 取值 1 5 7 2 5 MP a ， 见 压力容 器( 材料 ) ( G B l 5 0 22 0 1 1 ) ； 接 管许 用应 力 ， =L ，采 用 Q 3 4 5 R钢材 ， 取值 1 6 4 7 7 MP a ， 见水电站压 To Td 力钢管设计规范 ( D L T 5 1 4 1 2 0 0 1 ) 图 3封 头应 力分 析计算成 果 囊 一 一 。 一 。 一 图 4接 管 应 力 分 析 计 算 成 果 3 3 计算结果 最终设计推荐钢制封头厚度 2 6 mm( 计算厚度 2 4 m m) ， 进人孔接管厚度 2 4 mm( 计算厚度 2 2 mm) ， 第 1 主应力计算成果汇总见表 3 。 由表 中数据可知 ， 进人 孔接管和钢制封头的第 1主应力分别小于钢管的抗力 限值 、 许用应力 焊接接头系数 ， 均能满足规范要求。 预埋钢管 、 钢制封头及进人孔接管的第 1主应力 、 整体 莹 m 曼 里 R 第 l 7期 姚敏 杰， 等 ： 水电站放空洞混凝 土和钢管联合封堵 系统设计 5 9 变形见图5 、 图6 。 4 结 语 表 3第 1主应 力计算成 果汇 总 M P a 2 0 9l 4 9 2 l l 8 6 3 3 J l 2 3 4 5 1 l 6 0 5 7 6 4 6 8 3 0 6 5l 6 7 7 71 1 0 4 8 9 图 5第 1主应力示意图 ( 单位 ： MP a ) 2 3l E _ 0 3 6 9 3 E 一 0 3 O 0l l 5 5 O 0l fi1 7 0 0 2 0 7 9 0 4 62 E一 03 9 2 4 E 3 O0 1 3 86 O 0I 8 4 8 图 6整体变形示意图 ( 单位 ： E l1 ) 因该工程为水电站放空洞的改建项 目， 具有一定 的特殊性。为缓解业主的资金压力 ， 一期工程需要 采 用封堵系统替代原进水 口检修闸门长期挡水的状况 ， 采用混凝土封堵体、 预埋钢管和钢制封头联合封堵结 构 ， 并在 封头 上设 进人 孔 ， 可达 到加 固改建 并便 于后 期 检修的目的， 为类似工程设计提供参考。 混凝土 、 钢管和封头作为封堵 系统 的联合结构 ， 受 力明确 ， 可分别进行? 昆 凝土封堵体 、 钢管和封头的结构 分析计算 ， 组合一起形成联合封堵系统 ， 保证工程安全 运行 。 进人 孑 L 设 在封 头上 ， 需要 在封 头上 开孔 ， 孔 口周边 应力集中明显。采用三维有限元软件进行分析计算 ， 将封头和接管的最大应力 控制在规范要求的范 围内， 确保工程安全可靠。 参考 文献 ： 1 高季章 ， 郭军 关于面板坝设置放 空洞 的若干 问题 J 水 力发 电 学报 ， 2 0 1 3 ， 3 2 ( 5 ) 2 廖仁强 ， 向光红 ， 汪鲁明 水布垭 高水头放 空洞设计技术创新 与工 程 实践 J 人 民长江， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 1 9 ) 3 铁汉 ， 孙红丽 王和平 压力钢 管进人孔 强度和焊接设计 J 西北 水电 ， 2 0 0 1 ( 4) 4 杨强 ， 徐 江， 冯俊 ， 等 落生水电站压力钢 管进人孔应 力分析 J 湖北水力发电， 2 0 0 7 ( 5 ) ( 编 辑 ： 郑 教 ) De s i g n o f u n i t e d c o n c r e t e pe n s t o c k p l u g g i ng s y s t e m f o r r e l e a s e t u nn e l o f a hy d r o po we r s t a t i o n Y AO Mi n j i e ，GAO Ya f e n ( P o w e r C h i n a H u a d o n g E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L i m i t e d ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ，C h i n a ) Abs t r a c t：Du e t o l o n g t e r m wa t e r r e t a i ni n g，t h e o v e r h a u l g a t e o f r e l e a s e t u n ne l o f a hy dr o po we r s t a t i o n c a n n o t b e c l o s e d i n e me r g e n c y a n d n e e d s t o b e r e c o ns t r uc t e dI n t h e v i e w o f r e d uc i n g i n v e s t me n t ，we a d o p t a u ni t e d pl ug g i n g s y s t e m c o mp o s e d o f c o n c r e t e b l o ck a g e，p r eb u r i e d p e n s t o c k，s t e e l b l o c k i n g h e a d a nd ma n ho l eI n t h e s y s t e m，t h e f o r c e s t r uc t u r e o f t h e c o nc r e t e bl o c k a g e，p e ns t o c k a n d s t e e l b l o c ki n g h e a d a r e d e fini t e a nd t h e s t r e s s c o u l d b e c a l c u l a t e d r e s pe c t i v e l y Th e ma nh o l e s e t o n t h e s t e e l b l o c k i ng h e a d wo ul d p r o d uc e s i g ni fic a n t l o c a l s t r e s s a nd b e c o me s a we a k p o i n t ，s o t h r e e d i me n s i o n a l fini t e e l e me nt a na l y s i s i s n e e d e d i n t he c a l c u l at i o nTh e de s i g n d e t a i l s f o r v a r i o u s p a r t s o f t h e u ni t e d p l u g g i ng s y s t em a r e i n t r o du c e d，whi c h c o u l d p r o v i de r e f e r e n c e f o r t h e s i mi l a r p l u g g i n g p r o j e c t Ke y wor d s：p l ug g i n g s y s t e m ；ma n h o l e；r e l e a s e t u nn e l ；h y dr op o we r s t a t i o n