某水电站钢筋混凝土岔管三维有限元结构分析.pdf

2 0 1 4年第 4期 东北水利水 电 规划设计 文章编号 1 o 0 2 0 6 2 4 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 o 9 0 3 某水电站钢筋混凝土岔管三维有限元结构分析 任建钦 ， 徐岩 ， 赵立旺， 艾明明 ( 中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院， 吉林 长春 1 3 0 0 6 1 ) 摘 要 】 文章应用大型通用有限元软件 A NS Y S ， 对某水电站钢筋混凝土岔管在施工期、 运行 期和检修期工况下进行 了三维有限元计算。根据计算结果， 分析钢筋混凝土结构的稳定性 ， 验 证结构设计的合理性 ， 并根据应力计算结果， 推荐岔管结构配筋方案。 【 关键词 水电站； 钢筋混凝土岔管； 外水压力； 内水压力； A NS Y S 【 中图分类号】 T v 7 3 文献标识码 B 0 引言 岔管是水 电站输水系统中的重要组成部分 ， 其结构设计直接关 系到岔管本身及相邻建筑物 的 运行安全。岔管按材料可以分为钢岔管和钢筋混 凝土岔管 2种。当岔管 HD值大时 ， 钢岔管 需要 的 钢衬一般较厚， 材料耗费量大， 焊接工艺复杂 ， 施 工困难。鉴于此 ， 除特殊地质条件以外 ， 尽可能采 用钢筋混凝土岔管。 但钢筋混凝土岔管的体型、 荷 载 、 边界 以及与 围岩联合承载 的机理极其复杂 ， 一 般计算方法无法准确描述结构的变形和受力特 征， 因而引入有限元数值计算法。 1 有 限元模 型 1 1计算模型 钢筋混凝土岔管结构整个计算模型的范围沿 进水方向( 向 ) 取 2 8 1 m， 沿铅 直方 向( y向 ) 自山 体表面向下取至支管中心线以下 2 0 0 m，侧向( z 向 ) 岩体取 2 0 0 m。 钢筋混凝土岔管所选取模型模拟范围内的岩 体均为大型块体结构， 此计算中将其划分为 8 节点 等参块体单元 S OL I D 4 5 。岔管可视为厚壳结构， 将 其划分为 2 O 节点等参块体单元 S OL ID6 5 ，以便更 精确地模拟其力学行为， 在厚度方向划分 4 层。 模型底部施加垂直方向( y向) 约束 ， 下游面 施加水平方向( 向 ) 约束 ， 上游面施加侧压 力 ， 一 个侧面施加水平向( z向) 约束 ， 另一侧面施加侧 压 力， 并考虑结构 的 自重。 1 2 材料参数 材料参数见表 1 。 表 1 材 料参数 表 1 3计算参数 最大内水压力水头 1 5 0 m， 最大外水压力水头 8 6 m， 钢筋混凝土衬砌厚度 0 8 m， 钢筋混凝土标 号 C 3 0 ， 回填灌浆压力0 4 MP a 。 1 4 计算工况 根据高压混凝土岔管的施工和运行期可能发 生的设计控制工况 ，此次计算采用以下工况进行 计算分析。 工况 1 ： 开挖工况 ， 荷载组合 ： 初始 地应力+ 开 挖释放荷载。 工况 2 ： 施工工况， 荷载组合 ： 初始地应力+ 开 挖释放荷载+ 外水压力+ 回填灌浆压力+ 衬砌结构 9 规划设计 东北水利水电 2 0 1 4年第 4期 自重 。 工况 3 ： 运行工况 ， 荷载 组合 ： 初始地应 力+ 开 挖释放荷载+ 外水压力+ 内水压力+ 衬砌结构自重。 工况 4 ： 检修工况 ， 荷载组合： 初始地应力+ 开 挖释放荷载+ 外水压力+ 衬砌结构自重。 外水压力按面力施加， 直接作用在衬砌外表面 上， 内水也按面力施加， 直接作用在衬砌内表面上。 2 计算结果分析 2 1 工况 1 计算成果分析 采用A N S Y S 软件中的生死单元技术 ， 模拟岔 管的开挖， 可以计算开挖后的二次应力场， 确定岔 管开挖、 围岩产生变位 、 松弛后的应 力重分布 。 1 ) 围岩 初始应 力场分 布较 为均匀 ， 第 一主应 力大小在一 0 0 1 - - 3 1 8 MP a 范围内变化 ， 第二主应 力大小在一 0 0 5 - - 3 6 2 MP a 范围内变化 ， 第三主应 力大小在一 0 2 8 9 1 3 MP a 范围内变化 ， 且与高程 相关性较大。 2 ) 岔 管开挖后 ， 岔 管顶部和 底部 围岩 的位移 小 于 3 l m ， 压应 力均 小于 3 5 MP a ， 侧 部位移 均 小于 1 r n l T l ， 除岔 口处 有较大 的应 力集 中外 ， 其他 部位 的压应 力均小于 8 MP a ，这说 明岔洞围岩应 力总体 比较 小 ，只是在岔 口区域 受应 力集 中影响 应 力条件相 对较 差 ， 可能有岩块发生崩落 ， 开挖时 应该对岔 口区域进行修 圆整平并加强支 护 ，以保 证施工期的围岩安全稳定。 2 2 工况 2计算成果分析 岔管最大压应 力值为 2 4 6 7 MP a ， 发生在岔 口 右侧与岔挡相接处 ， 最大拉应力为 1 5 MP a ， 发生 在岔管底部岔口附近， 其它区域应力均比较小。 裂 缝 只发生在岔 口区域 ， 主岔管底部裂缝贯通 ， 顶部 裂缝 只局限于 内层 ， 岔裆底部裂缝几乎全部贯通 ， 顶部裂缝只发生在 内层。 2 3 工况 3计算成 果分析 岔管最大压应力值为 2 4 0 8 MP a ， 发生在岔口 右侧与岔挡相接处， 最大拉应力为 0 2 8 MP a ， 发生 在岔管底部岔口附近， 其它区域应力均比较小。裂 缝只发生在岔 口区域 ，主岔管底部有很少一部分 裂缝贯通 ， 顶 部未开裂 ， 岔裆 底部裂缝没有 贯通 ， 顶部没有裂缝。 2 4 工况 4计算成果分析 1 0 岔管最大压应力值为 2 3 4 0 MP a ， 发生在岔口 右侧与岔挡相接处 ， 最大拉应力为 0 9 4 MP a ， 发生 在岔管底部岔口附近 ， 其它区域应力均比较小。 裂 缝只发生在岔 口区域 ，主岔管底部有相当一部分 裂缝贯通 ， 顶部裂缝较少且只存在 于内层 ， 岔裆底 部裂缝有两条贯通 ，其它裂缝存在于 内层 四分之 三厚度 内， 顶部裂缝 只发生在内层。 2 5 综合结果分析 给出施工期、 运行期、 检修期 3 种工况钢筋混 凝土岔管的应力情况， 如表 2 。 表 2 各工况 下岔管应 力情况 主 岔 营 段支 岔 管 段 岔 口 近 远 軎 岔 口 岔 口 近 远 岔 口 I 况 部 位 【 受 应 集 影 响 】 ( 不 受 应 j 集 影 响 ) (受 应 集 髟 ) 【 不 应 集 影 响 ) 最 大 压 应 最 太 拉 应 力最 大 压 应 拉 应 大 压 应 ) 】最 大 拉 应 最 大 娃 最 大 拉 应 胁 胁 胁 胁 M P l 胁 胁 胁 从表 2 可以看出，每种工况岔管的顶部和底 部压应 力都不是很大 ， 而侧部压应 力较 大 ， 在岔 口 区域 内层混凝土最大压应 力超过 了混凝土 的抗压 强度 ，远离岔 口区域只有工况 2内层混凝土超过 了混凝土的抗压 强度 ；各 工况 之间应 力水平也存 在 着差异 ， 工况 3整体应 力水 平不是很高 ； 工况 4 在岔 口区域局部压应力较 大 ，而其 它区域应 力都 没有超过混凝土强度指标； 工况 2 ， 整个岔管结构 内层侧部压应力有相当一部分超过了混凝土强度 指标。 3 配筋计算 此次配筋计算是依据施工工况应力计算结果 的基础上， 按照 D L T 5 0 5 7 1 9 9 6 ( 水工混凝土结 2 0 1 4年第 4期 东北水利水 电 规划设计 构设计规范 和 D L T 5 1 9 5 2 0 0 4 ( 水工隧洞设计 规范 进行配筋计算， 其计算结果见表 3 ， 岔管结构 配筋布置 ， 见图 1 。 裹 3 岔管结构配筋计算结果 方 向 管 段 位 置 计 算 配 筋建 议 配 筋 1 断 面 2 断 面 2 x 3 砷 2 8 3 0 4 2 x 4 3 2 6 ,2 6 0 2 x 5 4 2 2 6 2 4 2 6 2 5 0 蓼 2 断 面 _ 3 断 面 2 x 2 8 30 4 2 2 6 2 6 0 2 x 3 i 2 6 2 2 6 2 50 萄 箭4 断 面 5 断 面 2 2 8 3 0 4 2 2 2 6 2 6 o 2 2 7 2 4 2 2 6 2 x 2 3 2 6 2 5 0 5 断 面 6 断 面 2 x 2 2 8 3 0 4 2 2 6 2 6 0 2 3 l 犯4 2 2 6 2 x 2 6 2 5 0 4 结论和 建议 1 ) 岔管开挖后 ， 围岩总体 比较稳定 ， 只是 在岔 口附近受应力集中影响围岩稳定性相对较差。建 议在开挖施工时 ，对岔 口和岔裆部位进行适 当修 圆处理， 或者开挖时就进行喷浆支护， 以保证施工 期的围岩稳定安全。 2 ) 施工工况和检修工况在受应力集中影响的 岔 口和岔裆部位混凝土有压碎和拉裂的可能 ， 而 岔管结构其它部位是比较安全的；运行工况岔管 图 1 岔冒结构 建议围 筋布置示 意图 整个结构都比较安全。 3 ) 外水直接作用在混凝土衬砌上也会大大影 响着岔管结构的稳定， 建议对围岩进行灌浆处理 ， 至少保证在 1 5 m厚围岩范围内有 良好的抗渗 性 ， 尤其要做好岔管底部围岩的灌浆， 保证底部围 岩灌浆深度应该比其它部位要大一些。 4 ) 钢筋混凝土岔管衬砌厚度采 0 8 m， 钢筋混 凝土标号 C3 0 ， 结构安全 ， 设计较为合理。 参 考文 献 1 D L T 5 0 5 7 1 9 9 6 ， 水工混凝土结构设计规范E s 2 D L T 5 1 9 5 2 0 0 4 ， 水工隧洞设计规范 s 【 收稿 El期】 2 0 1 3 -1 2 -1 1 【 上接第 5页 ) 坡形， 利于排泥。 在坡形混凝土倒角间摆放 D N2 0 0 排泥管 ， 每个混凝 土倒 角间设置排 泥三通 ， 排泥管 出口安装水力驱动排泥阀，污泥最终排入絮凝池 体两侧排泥沟中。通过排泥沟排入厂区排泥池中。 排泥阀采用的是角型隔膜式排泥阀，排泥阀 有气压源和液压源驱动 ，液压源通常采用水力驱 动， 设计采用的是水力驱动。排泥阀主阀体内部有 一 片特殊强化 尼龙膜片 ， 可供长期使用。设计水 力 驱动水源经 由外部控制管路及其上的通水 电磁 阀 ， 控制水源进 出， 以驱动排泥阀的开启。本设计 每个絮凝池设 1 5个排泥阀， 水力驱动的水管上电 磁阀由P L C控制， 为常闭状态。 在沉淀池出口设浊 度计 ， 当沉淀池出口浊度超过设定值时， 通过 P L C 远程控制 ， 开启电磁阀， 驱动水进入排泥阀中， 驱 动排泥 阀开启 ， 排泥管迅速排泥。 3 结语 长海县跨海引水工程由于海岛需水的特点， 且 工程按远期设计规模一次建成 ， 并未根据水量的逐 年增长情况分期实施， 使得该工程设在广鹿岛的净 水厂处理水量变化跨度很大。 设计在常规的净水厂 工程设计理论基础上 ， 通过 合理设计作 了一定程度 的改进，即保证了净水厂按远期规模一次建成 ， 又 使得该净水厂在近期供水水量不大情况下和不同 季节水量相差很大情况下， 能合理运行。 【 收稿 日 期】 2 0 1 3 1 1 0 9