某水电站扩建段压力钢管进水口外包混凝土裂缝分析.pdf

第 8期 2 0 1 0年 8月 广东水利水 电 GUANGD0NG W ATER RES 0URCES AND HYDROPOW ER No 8 Aug 2 01 0 某水 电站扩 建段压力钢管进水 口外包混凝土裂缝分析 杨接 平 ， 梁月英 ( 1 深圳市水务规划设计院， 广 东 深圳5 1 8 0 0 8 ； 2 中国铁道科 学研 究院深圳研究设计院， 广 东 深圳5 1 8 0 0 8 ) 摘要： 针对扩建段压力钢管进水 口外包混凝土裂缝的检测结果， 根据裂缝的长度、 宽度和位置建立数值模型， 通过有限元 分析对裂缝产 生的原因、 稳定状 态以及 对结构的安全性进行 了评价。 关键词： 钢管进水口； 外包混凝土； 裂缝 ； 有限元分析 中图分类号 ： T V 6 6 2 2 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 8 0 1 1 2 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 2 3 0 3 1 概 述 某水电站位于某流域下游 ， 是某流域梯级开发的二 级电站 ， 1 9 5 9年 1 1月竣工时装 机 4台， 装 机容量共 3万 k W， 具有发电及灌溉等综合效益 ， 工程枢纽布置见 图 l所示。该 电站于 1 9 9 5年 3月完成 2台机组 的扩 建 ， 扩容共 5 2万 k W， 该扩容工程在某流域的梯级运行 中取得了巨大的经济效益 ， 极大地改善了梯级水库的调 节性能和提高了电站机组的运行灵活性 。 图 1工 程 枢 纽 布 置 示 意 扩建工程进水 口有 2个 ， 分别 由东一孔和东二孔非 常溢洪道改建而成。每个进水口宽为 1 0 5 m， 底部高程 为 1 0 5 5 m， 顶 部 高 程 为 1 1 3 5 m， 比 最 低 消 落 水 位 1 1 4 0 m低 0 5 m。渐变段起始桩号为 0+ 0 0 9 3 7 4 m， 终 止于 0+0 1 6 7 9 3 m， 后接直 径为 5 8 m 的钢 管 ， 壁厚 为 1 0 ra m， 在斜管前后的上弯管和下弯管 以及渐变段 ， 钢管 壁厚为 1 2 ra m， 全长为 1 5 0 m。在钢管起始部分 ， 考虑与 进水 口导水墙结构相协调 ， 外包混凝土厚度为 2 O m， 出 坝体后混凝土壳厚度为 0 6 m。 在该水电站第 3次安全定期检查中， 发现扩建机组压 力钢管进水t a , b 包混凝土存在裂缝 ， 考虑到水利混凝土裂 缝 危害的严重性， 本文针对裂缝发生的部位 、 裂缝长度 、 宽度和深度， 分析裂缝的成因以及与廊道裂缝的相关性 ， 并进一步分析外包混凝土裂缝对结构安全J生的影响。 2裂缝分布情况 该水 电站扩建机组压力钢管进水 口外包混凝土共 检测到裂缝 2 2条 ， 总计长度为 7 5 7 5 m， 其 中压力钢管 进水 口外包混凝土面平行坝轴线裂缝共计 8条 ， 垂直坝 轴线裂缝 8条 ， 斜 向裂缝 2条 ； 在 2 压力钢管进水 口混 凝土左侧面有裂缝 2条 ， 对应裂缝 编号为 L 1 9 、 L 2 0 ； 1 压力钢管进水 口混凝土右侧边墩处有裂缝 2条 ， 对应裂 缝编号为 L 2 1 、 L 2 2 ， 裂缝 L 2 1较 长 ， 裂缝 L 2 2环绕右侧 边墩 ， 并且在此处发现 白蚁。此外 ， 外包混凝土上发现 3处渗水点 、 5处析钙 。图 2为 1 、 2 压力钢管下游面斜 坡外包混凝土裂缝平面展开的情况。 3裂 缝数值 分 析 3 1 模 型 的建立 新建进水 口是 由原溢流坝体改建而成 ， 管道与坝体 是一个完整结构 ， 相互作用相互影 响， 因此 为了解下游 坝面混凝土在各种荷载组合作用下的静力响应 ， 特别是 管道与大坝 的联接部位的应力状态 ， 必须进行管 一坝整 体三维有限元分析 ， 把钢衬作为一种单独的单元形态考 虑 ， 由此建立的有限元模型 ， 模拟范 围上游延伸 1倍坝 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 6 2 8 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 0 0 7 0 5 作者简介： 杨接平( 1 9 8 1一) ， 男 ， 硕士， 工程师， 从事水利水电工程设计工作。 23 一 ll 。 一 一 一 ， 一一 一 一 一 r 篓 一 ： - 一 ； 簟 一 零 2 0 1 0年 8月 第 8期 杨接平 ， 等 ： 某水 电站扩建段压力钢管进水 口外包混凝 土裂缝分析 蓍 呈 主 导 1 R 墩 游 “ l L l 。 一L 【 - 中 审 ( ， 矗 1 0 图 2 1 、 2 压力钢管下游面斜坡外包混凝土裂缝平面展开示意 高， 下游延伸至坝下 0+ 0 7 0 O m， 建基面以下 1倍坝高 范围内的基础 ， 根据 已有裂缝的位置剖分网格并模拟了 廊道 。模型共计 7 0 0 8 4个单元 ， 7 9 4 9 4个节点 ， 计算模 型如图3所示 ， 其中 Y向垂直于地面， 向上为正， X向为 顺河向， z向为横河向。 图 3扩建机组段 有限元计算模型 位移边界 ： 基岩底边均视为固定边界， 即岩石基础底 边约束全部位移； 基岩上下游边及基础两侧边按平面应 变问题处理 ， 即基岩上下游边约束水平顺河向( X向) 位 移 ； 岩石基础两侧边约束沿坝轴线水平( z向) 位移。 3 2 裂缝 的模 拟 混凝土坝的裂缝界面实际上是接触 问题， 采用接触 算法可以实现对裂缝物理特性的模拟， 但对坝体裂缝的 几何性质无法正确模拟， 因而采用复合节点单元， 将单元 的某一个节点变为2个节点( 见图4、 图 5所示 ) ， 从而使 单元在节点处分开， 若干个复合节点单元组合在一起 ， 就 可以在坝体表面或内部模拟不同宽度 、 深度及走 向的裂 缝 ， 采用接触算法 来限制单元的互相嵌入和穿透。 3 3 基本荷载 1 )坝体 自重 坝体 自重是维持重力坝稳定的主要荷载 ， 可根据下 2 4 图 4 普通单元网格 1 6 7 图 5复合节点单兀 网格 式 确定 ： = v y， ( 1 ) 式中 Y 为坝体材料容重； V为坝的体积。 由于缺少施工资料 ， 这里仅考虑整体 自重应力， 即 假定坝体的自重为均匀分布体力， 一次性施加到坝体 上 ， 筑坝材料容重按实际情况决定 。 2 )坝面上的水压力 作用在坝面上的静水压力是重力坝所承受的主要 荷载， 可按照水力学原理计算 ， 坝面上任一点静水压强 可根据下式确定 ： P=Y 0 Y ( 2 ) 式 中 。为水的容重 ； 为该点水深。 下游水位对坝体影响较小， 因此分析中不考虑下游 水位的影响。 3 )管道 内水压力 压力管道的主要荷载为内水压力 ， 根据 进水 口半 整体水工模型试验 补充报告 水力模型试验 中测压管 水头高程和时均动水压力表 中的成果进行计算分析。 4 )温度荷载 坝下游面钢衬外包混凝土下游表面为 自由边界， 其 他与坝体混凝土用施工缝连接 ， 由于管道混凝土属于薄 壁结构 ， 管道内水温较低 ， 外包混凝土又暴露在大气中， 受气温变化能产生较大的温度应力 ， 当应力超过混凝土 她 梆 冒冒 藿 I 2 0 1 0年 8月 第 8期 广 东水利水 电 抗拉强度时， 将会增大坝体已有裂缝 的开度 ， 同时还 可 能在某些薄弱部位产生一些新的裂缝 ， 因此有必要分析 温度荷载的作用 。上游面库水温度 、 坝上气温和引水管 道 内水温为主要温度边界条件 ， 外界气温和水温的周期 性变化 ， 对混凝土内部的温度具有一定的影响。 在混凝土区域 内的温度场满足热传导方程 J ： _ l1 0 2 T + +粤 ： 0 ( 3 ) a 一 a y a 同时 ， 温度场须满足边界条件和约束条件 ： 当 t=0 T=T o ( ， Y ， ) ( 4 ) 在第一类边界条件 厂 ： T = T ( ， Y ， 0 ) ( 5 ) 约束条件 ： = T o ( ， ， ， ) ( 6 ) 式中 7 o 为混凝土初始温度 ， 为水温和气温边界条 件 ； 7 1o ( ， Y ， )为混凝土温度计测值。 3 4荷载工况 采用三维弹塑性有限元方法 ， 对压力钢管和大坝整 体结构进行常规荷载作用下应力状态的分析计算 ， 选取 以下不利荷载工况进行分析 ： 工况 1 ： 低水位 +自重 +管道 内水压力 +温降场 工况 2 ： 高水位 +自重 +管道 内水压力 +温升场 3 5 基本材料参数 根据设计资料 ， 扩建机组各部位的主要材料参数如 表 l 所示 ： 表 1 坝体 、 坝基和压力钢管 的材 料参数 3 6有限元成果分析 模型 中考虑施工缝 L I 、 L 1 7、 L I 8和裂缝 L l 3 、 L 1 4、 L 1 2、 L 2 1 ， 并根据其所在位置 、 深度 和长度建立模 型进 行数值分析。 1 )工况 1 ( 温降 ) 由图 6可以看 出， 较大温降时带缝模型得到的应力 最大值为 2 O 1 MP a ， 发生在外包混凝土厚度变化的交接 处。外包混凝土下游面沿 压力钢管轴线方 向在该荷载 条件下产生的最大主应力仍超过混凝土强度的设计值， 故在 已有裂缝的情况下 ， 扩建机组外包混凝土下游面裂 缝仍有扩展或新 的裂缝 产生的趋势。裂缝 附近局部部 分应力释放 ， 局部应力水平略有 降低 ， 但 对整体应力的 分布影响不大。 ( a ) 模型最大主应 力分布示意 ( b ) 1 钢管轴断面最大主应力分布示意 图 6工况 1的应 力分 布示意 2 )工况 2 ( 温升 ) ： 由图 7 ( a ) 可 以看出 ， 较大温升时带缝模型得到的 应力最大值为 1 0 3 7 MP a ， 发生在压力钢管渐变段起始 点与外包混凝土接触的地方 ， 如图 7 ( b ) 所示 ， 拉应力值 未超过混凝土强度的设计值 1 1 M P a ， 其余部位 的应力 均在设计允许 的范 围之 内。 4结论 与建 议 1 )在较大温降条件下 ， 扩建机组段外包混凝土下 游面沿钢管轴线方 向产生的最大主应力均超过混凝土 抗拉强度的设计值 ， 说明已检测到的裂缝 L 6、 L 7 、 L 1 3、 L 1 4 、 L 1 2有可能是在气温骤降的条件下产生的， 根据应 力分布的情况 ， 在该 区域附近的裂缝有进一步扩展或新 裂缝产生的可能 ， 从而削弱管道刚度 ， 故在严寒季节要 做好保温工作 。 2 )在较大温升条件下 ， 计算得到的最大主应力在设 计值允许的范围之内， 但在压力钢管渐变段起始点与外 包混凝土接触的地方 ， 局部有较大的应力产生 ， 若遇到气 温骤升的情况， 可能在该范围内拉裂。 ( 下转第3 5页) 2 5 2 0 1 0年 8月第 8期 广东水利水 电 N o 8 A u g 2 0 1 0 积与之有密切关系， 但从侵蚀强度来看 ， 林地又以轻度 、 微度为主 ， 表明林地能够有效地提高地 表覆盖率 ， 防止 土壤侵蚀加剧的发生。而作 为人类活动干扰较大的耕 地之所以与土壤侵蚀存在较大的相关关系 ， 主要原因是 与丘陵山区的坡地开发有关 ， 近年来坡耕地造成的水土 流失已经引起人们的重视。 参考文献 ： 1 李定强， 姚少雄 水土保持 与可持续发展理论 与实践 M 广州 ： 广东省地 图出版社 ， 1 9 9 8 2 柳长顺 ， 齐实 ， 史 明昌 土 地利用 变化 与土 壤侵蚀 关 系 的 研究进展 J 水土保持学报， 2 0 0 1 ， 1 5 ( 1 ) ： 1 01 3 3 蔡崇法 ， 丁树 文 ， 史志华 ， 等 应 用 U S L E模型 与地理 信息 系统 I D R I S I 预测小 流域 土壤侵 蚀量 的研 究 J 水土 保 持学报 ， 2 0 0 0 ， 1 4 ( 2 ) ： 1 9 2 4 4 余 炜敏 ， 漆智平 S O T E R支持下海南土壤侵 蚀量估算 J 水土保持学报 ， 2 0 0 3 ， 1 7 ( 6 ) ： 5 1 5 4 5 钟霞 ， 薛 重生 基 于删 格模 块地形因子提取 及其水 土流失 评价 中的应用 以湖北省房县水 土流失评 价为例 J 水土保持 研究 ， 2 0 0 4 ， 1 1 ( 1 ) ： 9 2 9 4 6 倪九派， 傅涛 ， 李瑞雪， 等 应用 A R C I N F O预测芋子沟小 流域 土壤 侵蚀 量的研究 J 水土保持学报 ， 2 0 0 1 ， 1 5 ( 4 ) ： 2 9 5 0 7 8 9 1 0 1 2 1 3 1 4 1 5 游 松财 ， 李 文卿 G I S支 持下 的土 壤侵蚀 量估 算 以江 西省泰和县灌溪乡为例 J 自然资源学报， 1 9 9 9 ， 1 4 ( 1 ) ： 6 268 肖寒 ， 欧 阳志 云 ， 王效科 ， 等 G I S支持下 的海南 岛 土壤侵 蚀空 间分 布特 征 J 土壤侵蚀 与水 土保 持学报 ， 1 9 9 9 ， 5 ( 4 ) ： 7 5 8 0 刘康 ， 康艳， 曹明明， 等 基于 G I S的陕西省水土流失敏感 性评价 J 水土保持学报 ， 2 0 0 4， 1 8 ( 5 ) ： 1 6 81 7 0 王小丹， 钟祥浩 ， 范建容 西藏水土流失敏感性评价及其 空间分异规律 J 地理学报 ， 2 0 0 4 ， 5 9 ( 2 ) ： 1 8 31 8 8 于书霞 ， 王宁 ， 朱 颜明 ， 等 基于地 理信 息系统 的土 壤侵 蚀研究 J 水土保持通报 ， 2 0 0 1 ， 2 1 ( 3 ) ： 2 0 2 3 蒋平 ，石 瓮小流域土壤侵蚀遥感定量和制图研究 J 国土与 自然资源研究 ， 1 9 9 4 ， ( 2 ) ： 2 7 3 1 章文波 ， 谢 云 ， 刘宝元 利用 目雨量计算 降雨侵蚀 力的方 法研究 J 地理科学 ， 2 0 0 2 ， 2 2 ( 6 ) ： 7 0 5 吴志峰， 卓幕宁， 王继增， 等 珠海正坑小流域土壤与氮 、 磷养分流失估算 J 水土保持学报 ， 2 0 0 4 ， 1 8 ( 1 ) ： 1 0 0 1l 4 邹亚荣 ， 张增祥 ， 周全斌 ， 等 基 于 G I S的土壤侵蚀与土地 利用关系分析 J 水土保持研究， 2 0 0 2 ， 9 ( 1 ) ： 6 7 6 9 ( 本文责任编辑马克俊) ； ； ； ； ； g ； ； ； 誉 ； 苕 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； g ； ( 上接 第2 5页) ( a ) 模型最大主应力 1 分布示意 ( b ) 1 钢管轴 断面最 大主应力 13 - 1 分布 意 图 7 工况 2的应 力分 布示意 3 )压力钢管以下 的应力无较大 的变化 ， 说 明外包 2 谢国华 浅析水利混凝土的通病及其防治 J 广东水利水 混凝土 已有裂缝对结构整体性 的影 响较小 ， 混凝土应力 电， 2 0 0 7 ， ( 8 ) 在材料抗拉强度设 计值 的允许范 围之 内， 不会发 生开 3 李雪红 重大水工混凝土结构裂缝演变规律及转异诊断方 裂。根据应力分 布范 围可推断 ， 廊 道裂缝与 1 钢管外 法 D 南京： 河海大学, 2 0 0 包混凝土右侧边墩裂缝 L 2 1之问的影 响和发展贯通 的 4 朱伯芳 大体积 昆 凝土温度应力与温度控制 M 北京： 中 可能性很小 。 国电力出版社， 9 9 参考文献 ： 5 吴隆顺 水工建筑物混凝 土裂缝成 因与控制 J 中国农 1 金 以红 黄坛 口水 电站 1 4 水轮发 电机组增容 技术 改造 村水利水 电， 2 0 0 8 ， ( 6 ) J _ 水电厂自 动化， 2 0 0 7 ， ( 1 ) ( 本文责任编辑罗睿) 气 -