引调水工程调压塔滑模设计计算及其安全性研究.pdf

第 卷 增 人民珠江 年 月 :/.:/收稿日期:作者简介:李伟()男本科工程师主要从事水利工程设计、质量检测、相关材料研究工作 :.引调水工程调压塔滑模设计计算及其安全性研究李 伟任蒙蒙李海峰(.珠江水利委员会珠江水利科学研究院广东 广州.水利部粤港澳大湾区水安全保障重点实验室广东 广州)摘要:随着水利工程高质量发展对水利工程的质量和技术提出了更高要求 滑模施工技术因效率高、成本低、稳定性高等优点而广泛应用于水利工程 以引调水工程调压塔滑模为研究对象采用静力平衡法分析了调压塔滑模主结构和支撑结构的受力情况并对结构中应力集中和薄弱部位进行安全性计算 结果表明:滑模设计材料满足要求在设计层面保证了调压塔滑模质量为类似工程的滑模设计及应用提供参考关键词:调压塔滑模设计安全性计算中图分类号:文献标志码:文章编号:()水是生命之源是人类经济社会发展的重要资源 近年来随着中国工业、农业的快速发展生产生活用水量剧增 由于中国水资源在时空上分布的差异部分区域无法满足用水需求易造成区域性缺水和旱灾 因此修建跨区域的引调水工程是改善水资源分布不均的有效手段 目前中国已建和在建的跨区域引调水工程多达百余项例如南水北调工程、珠江三角洲水资源配置工程、环北部湾水资源配置工程、湛江引调水工程等长距离引调水工程在运行过程中普遍存在一定的内水压力主要以中低压为主 为了控制输水过程中管道的压强差保障整个工程供水安全专家学者提出了许多水锤防护措施如优化阀门动作规律、设置超压泄压阀、调压塔等 工程实践证明在引调水工程中设置调压塔的方法既经济又安全 调压塔的质量与其施工工艺密切相关其中混凝土的浇筑质量影响到调压塔的结构强度特性滑模施工技术具有施工质量高、施工工期短、一次性浇筑成型等优点已广泛应用于大型水利工程因此在调压塔的建设过程采用滑模施工技术时滑模的设计计算及安全性对调压塔工程建设至关重要 结合长距离引调水工程实际情况采用静力平衡法计算分析调压塔滑模设计过程及安全控制措施 通过对调压塔主结构和支撑结构进行受力分析和安全性计算在设计层面确保了调压塔滑模工艺的质量为类似工程的滑模设计及应用提供参考 工程概况某引调水工程调压塔为圆形结构外墙直径为.在.高程以下内墙直径为.混凝土衬砌厚度为 在高程.以上内墙直径为 混凝土衬砌厚度为 模板设计高度为.模板覆盖 层(每层.)新老混凝土混凝土浇筑对模板的侧压力通过 根辐射梁桁架传到中心鼓圈上相互抵消平衡模板自重、施工荷载和提升时的摩阻力通过内、外模提升架和千斤顶及支撑杆(共 根)传到周边混凝土进行平衡 本工程调压塔拟采用滑模施工技术调压塔滑模装置主要由模板系统、内模提升架、外模提升架、横桁架梁、辐射梁桁架、中心鼓圈、下拉人民珠江 年增刊 紧弦杆、对心调平装置、操作平台系统、液压提升及控制系统、施工精度控制系统、水电配套系统和辅助系统等组成 调压塔滑模结构截面见图 图 调压塔滑模结构截面 调压塔滑模设计过程通过对调压塔滑模装置的结构进行分析其内模总体受力分析见图 图中杆 表示内模提升架、表示模板、表示辐射梁桁架、表示下拉紧弦杆、表示中心鼓圈图 调压塔滑模内模总体受力分析由图 所知调压塔滑模施工和提升时滑模所受荷载包含竖向和水平荷载 竖向荷载主要包括滑模模板及其支撑体系的自重(模)、施工人员及设备荷载(施)、钢模板与混凝土的摩阻力(摩)水平荷载主要包括倾倒混凝土时模板承受的冲击力(倾)、新浇筑混凝土对模板的侧压力()竖向总荷载见式():总竖向荷载 模 内、外模板总面积 施滑模平台平面总面积 摩 内、外模板总面积()将竖向总荷载施加到调压塔横截面上的均布荷载见式():竖向总竖向力内、外模板总面积()水平荷载见式():水平 倾()式中 竖向 调 压 塔 横 截 面 上 的 均 布 荷 载水平 调压塔横截面上的水平荷载倾计算时假定模板底部浇筑一定高度的混凝土已达到 强度对模板的侧压力忽略不计同时将上部侧压力变化曲线简化为直线变化的等效分布(图)见式()():.()/().()式中 新浇混凝土侧压力的作用高度(一般取.低温时取.)模板高度 混凝土侧压力计算最大值 新浇混凝土容重取 /等效梯形上底的高度图 滑模模板侧压力分布滑模设计计算的主要内容包含模板和支撑构件的强度和刚度计算 支撑构件的强度和刚度计算包括内模提升架的强度和刚度计算、辐射梁桁架的强度计算、中心鼓圈的强度计算、下拉紧弦杆的强度计算、横桁架梁的强度和刚度计算、千斤顶的顶升力验算、支撑杆的稳定性验算 设计计算的主要内容和步骤见图 图 设计计算内容及计算流程 滑模主结构安全性计算滑模模板结构由面板、横向主肋和边框、竖向次肋和边框组成所有材料均使用钢材在使用前需要对模板面板、主次肋进行安全性计算人民珠江 年增刊.面板安全性计算钢面板与主次肋采用断续焊焊接成整体钢面板被分成若干矩形方格根据矩形方格长宽尺寸的比例钢面板等效为单向板或双向板计算 当长宽比大于 时单向板可按三跨或四跨连续梁计算当长宽比小于 时按四边支承在纵横肋上的双向板计算 本滑模模板按双向板设计浇筑混凝土时模板面板主要承受水平荷载 水平 不同类型双向钢面板结构示意见图)两边嵌固、两边简支)三边嵌固、一边简支图 不同类型双向钢面板结构示意.受力分析)强度计算 种类型钢面板中选择不同结构钢面板最不利的情况进行分析见图 安全状态下面板所受的最大正应力与其材料抗拉强度的关系见式():()式中 板面最大计算弯矩设计值 截面塑性发展系数 弯矩平面内净截面抵抗矩 板面最大正应力 面板抗拉强度设计值(/)挠度计算 安全状态下面板所受的最大挠度与其材料挠度的关系见式():/()式中 滑模模板所承受的水平荷载 计算面板的短边长度 构件的刚度 挠度计算系数 面板材料的计算最大挠度其中构件刚度 的计算公式见式():()()式中 钢材的弹性模量取./钢板厚度 钢板的泊松系数取.材料选择滑模模板结构材料采用面板厚度为 的 钢板竖向次肋采用 的钢带(间距 为 )横向主肋和横边框均采用宽为 、厚度为 的 钢板带(间距 为 )竖边框采用 的钢带针对模板面板、主次肋分别进行强度和刚度验算根据/的值结合静力计算手册得到弯矩系数为 .、.、.和 .最大扰度系数 为.强度计算取 宽的板条为计算单元其所受荷载见式():总./()支座(肋)处应力验算支座(肋)处弯矩见式()():.().().()面板截面系数见式():.()支座所受应力见式():./()因此选择材料的支座(肋)处应力满足设计要求)跨中应力验算跨中弯矩见式()、():.().()钢材的泊松比 为.故需换算见式()人民珠江 年增刊():().()().()()().()跨中弯矩所受应力见式():./()因此选择材料的跨中应力和挠度满足设计要求.模板主次肋安全性计算.横向主肋滑模模板的横向主肋是以竖背楞为支点的连续梁承受水平均布荷载每根横向主肋所承受的线荷载见式():横肋()横向主肋采用宽为 、厚度为 的 钢板带间距为 为 从而计算得到抗弯截面模量 惯性矩 竖背楞间距为 承受水平均布荷载计算可得 横肋./横向主肋近似按照二等跨连续梁进行强度和挠度的验算 根据简明施工计算手册简支梁的弯矩、挠度表可知:弯矩系数 为.跨中最大挠度系数 为.)强度验算 最大弯矩见式():()横向主肋所承受的最大应力见式():/()挠度验算 最大挠度见式():.()因此滑模模板的横向主肋强度和挠度满足设计要求.竖向次肋滑模模板的竖向次肋是以横向主肋为支点的简支梁承受水平均布荷载每根竖向次肋所承受的线荷载见式():竖肋()竖向次肋采用 (板宽 为 板高 为 )的 钢带制作横向间距 为 承受水平均布荷载 所以计算可得竖肋./)强度计算 根据简明施工计算手册简支梁的弯矩、挠度表可知最大应力见式()():()竖肋()()./()式中 最大弯矩 抗弯截面模量)挠度验算 根据简明施工计算手册简支梁的弯矩、挠度表可知最大挠度见式()():竖肋()()./.()式中 竖肋 线荷载./惯性矩因此滑模模板的竖向次肋强度和挠度满足设计要求通过对滑模主结构进行受力分析和安全性验算能够确保滑模主结构在调压塔施工过程中的安全稳定性从而保证调压塔的施工质量 支撑构件安全性计算支撑构件的强度和刚度计算包括内模提升架的人民珠江 年增刊 强度和刚度计算、辐射梁桁架的强度计算、中心鼓圈的强度计算、下拉紧弦杆的强度计算、横桁架梁的强度和刚度计算 要对这些构件进行验算首先应对构件进行受力分析调压塔滑模构件中横桁架梁、千斤顶和支撑杆主要承受竖向荷载下拉紧弦杆的受力主要承受大小相等方向相反的对拉荷载内、外模提升架、辐射梁桁架和中心鼓圈均受到水平和竖直方向的荷载共同作用故支撑构件的受力分析主要针对内、外模提升架、辐射梁桁架、横桁架梁和中心鼓圈 个构件.主要支撑构件受力分析.内模提升架受力分析内模提升架主要受到混凝土浇筑时对模板的压力(线形均布荷载)横桁架梁的提升力 和 辐射梁桁架上弦杆的水平支撑力 辐射梁桁架下弦杆的水平支撑力 下拉紧弦杆的拉力 受力分析见图 图 内模提升架受力分析以“内模提升架”为受力对象由静力平衡条件可得式()():()()().外模提升架受力分析外模提升架主要受到来自混凝土浇筑时对模板的压力(线形均布荷载)横桁架梁的提升力 和反力 受力分析见图 图 外模提升架受力分析以“外模提升架”为受力对象由静力平衡条件可得如下方程式见式()():()()().横桁架梁受力分析横桁架梁受到的压力(线形均布荷载)主要包含液压千斤顶的支撑力 和、内模提升架的作用力、和 外模提升架的作用力、和 受力分析见图 图 横桁架梁受力分析以“横桁架梁”为受力对象由静力平衡条件可得如下方程式见式()():()()()人民珠江 年增刊 沿直径.调压圆周“横桁架梁”共有 榀单榀受力见式()():横桁架梁 竖总竖向(钢筋平台内圈钢筋平台外圈)()横桁架梁 竖总/.().辐射梁桁架受力分析辐射梁桁架受到的压力(线形均布荷载)主要包含内模提升架的提升力 和 受力分析见图 图 辐射梁桁架受力分析以“横桁架梁”为受力对象由静力平衡条件可得式()():()()()沿内墙圆弧直径.调压圆周“横桁架梁”共有 榀单榀受力见式()、():横桁架梁 竖总竖向 (辐射梁桁架外 鼓圈)()横桁架梁 竖总/.().中心鼔圈受力分析中心鼓圈受到的压力(线形均布荷载)主要包含辐射梁桁架的压力 和、下拉紧弦杆的拉力 和 受力分析见图 图 中心鼓圈受力分析以“中心鼓圈”为受力对象由静力平衡条件可见式()():()()()沿直径.调压圆周“中心鼓圈”与辐射梁桁架和下拉紧弦杆共有 道接触点单道接触点承受/圆周的竖向线荷载见式()、():鼓圈 竖总 竖向 .()鼓圈 竖总/.().主要支撑构件安全性计算.辐射梁桁架抗弯强度和刚度计算)辐射梁桁架截面惯性矩和抗弯截面模量的计算 辐射梁桁架的上下弦杆截面采用 .矩形钢管(抗弯截面模量.惯性矩 .截面积.)制作截面惯性矩见式():辐射梁桁架 矩管 (.矩管截面积).()抗弯截面模量见式():人民珠江 年增刊 辐射梁桁架辐射梁桁架.()辐射梁桁架抗弯强度验算见式():桁架 弯桁架辐射梁桁架辐射梁桁架./.()辐射梁桁架刚度验算见式():辐射梁桁架辐射梁桁架.()综上辐射梁桁架抗弯强度和刚度均满足设计要求.中心鼓圈的强度和刚度计算中心鼓圈环板宽为 厚度为 内径为 外径为 与下拉紧弦杆连接处的环板所受应力最大该处沿圆周均布 个连接点每个连接点的最大拉力为斜向上 的 水平方向的分力沿圆周向外发散抵消但竖直方向的分力会引起环板弯曲变形 故中心鼓圈环板的验算问题主要是验算连接板与环板之间的焊缝强度、环板水平方向的抗剪强度、环板竖直方向的抗弯强度和环板竖直方向的刚度)环板与连接板焊缝强度验算 连接板采用厚度为 的 钢板制作与环板接触处采用()焊条满焊焊缝高度 焊缝长度为 每个连接板承受的剪切力见式():连接板 剪 .()焊缝剪切应力见式():连接板 剪连接板 剪焊缝总长焊缝高.(焊缝需用强度)()每个连接板承受的拉力见式():连接板 拉 .()焊缝拉应力见式():连接板 剪连接板 拉焊缝总长焊缝高.()环板水平方向抗剪强度验算 环板截面积的最大剪应力见式():环板环板截面积.(钢许用剪切强度)()环板竖直方向抗弯强度和刚度验算环板是以沿圆周方向均分布的 根竖向钢管为支点的连续梁以简支梁公式进行保守计算支点平均间距.故环板最大弯曲应力见式():环板 弯.环板.(钢屈服强度)()因此中心鼔圈的强度和刚度均满足设计要求通过对滑模结构主要支撑结构进行受力分析和安全性验算能够确保滑模主要支撑结构满足设计要求从而保证滑模结构的稳定性 结语滑模施工技术具有施工效率高、安全可靠等特点已广泛应用于水利工程建设 结合长距离引调水工程实际情况采用静力平衡法对调压塔滑模的主结构和支撑结构进行受力分析通过对滑模承受较大荷载和薄弱区域进行计算结果表明滑模设计材料满足要求能够保证调压塔滑模施工的安全性和稳定性为类似工程的滑模设计及应用提供参考参考文献:薛松张石磊李进平等.超长重力流输水系统水锤防护的顶部联通溢流式调压塔方案研究.中国农村水利水电():.王洪强赵丹邵东国.水利工程对水环境影响效益分量重要性评价模型与应用研究.南水北调与水利科技():.胡江马福恒盛金保等.长距离引调水工程安全年度报告制度探索与实践.人民珠江():.谭艳芳.双向调压塔在长距离密闭输水管线中的应用.水利建设与管理():.牛文娟李捷.某水电站工程调压塔设计.中国水运():.罗宇呈孙英趁.洋河水库溢洪道溢流堰滑模施工技术.河北水利():.(下转第 页)人民珠江 年增刊 能力、运行管理水平、工程质量等问题应予以重视另外还应加大日常维修养护投入尽量做到“有病随时治”降低水库运行的安全风险参考文献:年全国水利发展统计公报.水库大坝安全管理条例:中华人民共和国国务院令第 号.水库大坝安全评价导则:.沈东峰王建生崔岩等.临沂市大中型水库工程维修养护情况及规范措施.治淮():.吴钢刘磊李皓.浅谈当前中国水库运行管理中存在的主要问题及对策建议.水利建设与管理():.国务院关于“十四五”水库除险加固实施方案的批复.(责任编辑:高天扬)(上接第 页)计算浸润线经过防渗体系后水位显著降低坝体渗流出逸点在排水棱体下部下游坝坡稳定计算的渗漏量占总库容 .万 的 坝体不会产生渗透破坏)防渗线前后测压孔内水位约有 的明显落差实测浸润线与计算浸润线趋势基本一致 坝体内浸润线较低坝基土为中等透水层坝体内的水在到达排水棱体前就流向坝基使得排水沟内常年无水因此在进行水库大坝安全评价时不能简单地采取以前的计算指标而应对当前坝体土和防渗体系的实际情况进行调查才能合理地进行大坝的渗流分析参考文献:年底前对现有病险水库全面完成除险加固/././常志武安忠伟.土坝渗流计算分析及工程实例.黑龙江水利科技():.刘凤茹波兰汗开肯詹达美.基于测压管数据的某水库土坝渗流安全性分析.人民珠江():.任杰沈振中王谊等.哈达山水利枢纽右岸三维渗流场特性研究.水利水运工程学报():.易永军.祝京水库病坝稳定计算基本参数确定.水力发电():.吴琼唐辉明王亮清等.库水位升降联合降雨作用下库岸边坡中的浸润线研究.岩土力学.():.蒋德才沈庆双鲁新锋.云南省石屏县高冲水库大坝安全评价报告.李金玉徐文雨曹建国等.塑性混凝土防渗墙耐久性的研究和评估.水利水电技术():.郝丽娟.白河主坝坝基混凝土防渗墙耐久性分析.北京水务():.碾压式土石坝设计规范:.北京:中国水利水电出版社.(责任编辑:程 茜)(上接第 页)姜蕊郝国鹏向东旭.白鹤滩水电站运行期水厂取水塔滑模设计与应用.人民长江():.王维强.浅谈尼雅水库联合闸井滑模施工方法.四川水泥():.于新艳.供水工程调压塔结构不同设计方案下静力特征及管道水力特性影响研究.水利科技与经济():.(责任编辑:李燕珊)