某水电站钢岔管外包混凝土衬砌计算研究.pdf

2 0 1 3年第 5期 ( 第 4 l卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y N o 5 2 0 1 3 ( T o t M N o 4 1 ) 文章编号 ： 1 0 0 77 5 9 6 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 1 2 1 0 2 某水 电站钢岔管外包混凝土衬砌计算研究 陈 刚 ( 新疆水利水电勘测设计研究院， 鸟鲁木齐 8 3 0 0 0 0 ) 摘要： 某水电站工程为大( 2 ) 型 等工程 ， 该工程主要任务是发电， 主要 由拦河坝、 泄水建筑 物 、 引水发电洞及地面厂房等建筑物组成。岔管采用一管四机“卜 ” 型分岔“ 两大两 小” 的布置形式。介绍了钢岔管外包混凝土结构计算说明、 计算原则和方法， 并对钢岔 管外包混凝土衬砌进行了配筋计算。计算结果表明， 初拟的外包钢筋混凝土衬砌厚度 较为合理。 关键词 ： 发电引水洞 ； 钢岔管； 外包钢筋混凝土衬砌； 结构计算 中图分类号： T v 7 3 文献标识码： B 1 工程概况 某水 电站为大( 2 ) 型 等工程 ， 该工程主要任务 是发电， 正常蓄水位7 5 2 m， 总库容2 3 2亿 m ， 装机 1 4 0 M W， 多年平均发电量4 9 5亿 k W h 。本工程 由拦河坝 、 泄水建筑物 、 引水发电洞及地 面厂房等主 要建筑物组成 。 大坝级为 1级建筑物 ， 泄洪洞 、 溢洪洞为 2级建 筑物 ； 发电洞及 电站厂房为 3级建筑物 ； 临时建筑物 为 4级 。 2 发电引水系统布置 发 电引水洞布置在河道 左岸 ， 采用一洞 四机联 合供水的布置型式 ， 电站共 4台机组 ， 2台大机 ， 2台 小机 ， 发电引水流量1 6 2 m s 。 发电引水 系流主要 由进 口引渠段 、 进 口闸井 、 上 平洞段 、 斜井段 、 平 面转 弯段 、 下平 洞段和岔管段组 成。具体布置见图 1 。 3 钢岔管外包混凝土计算说明 由于厂房 为地 面厂 房 ， 钢岔管 在洞 外 ， 属 于 明 管， 因此在钢岔管外有钢筋混凝土衬砌。钢筋混凝 土衬砌是钢岔管外部受压 的主要 承重结构 ， 属大体 积混凝土结构 ， 采用三级配 。 发电洞 口 ) 厂 r 8 副 厂 房 上 游 墙 发 m 4 4： l9 f 一 趟 墨 r n 帕 - L 一 主厂房上游埔 主厂房J 二 游墙 发0 + 4 5 5 7 ： 发O + 掰 7 3 9 一 r 0 01 22 厂O _ 0 1 2 2 1 0 ，。L J 图 1 钢岔管外包混凝土结构布置图 收稿日期 2 0 1 3 0 3 0 5 作者简介】 陈刚( I 9 8 5一) ， 男， 新疆乌鲁木齐人， 助理工程师， 主要从事水利水电工程设计工作。 一 1 21 2 0 1 3年第 5期 ( 第 4 l 卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 5 2 0 1 3 ( T o t M N o 4 1 ) 岔管采用一管 四机“卜” 型分岔的布置形式 ， 因 此钢岔管钢筋混凝土衬砌分为主管、 岔管部分 、 弯管 和支管等几部分组成， 其中主管， 弯管及支管部分的 钢筋混凝土衬砌可以按照圆形隧洞衬砌的计算方法 进行计算 ， 而岔管部分属于空间结构 ， 由于空 间结构 计算方法较为繁杂， 故简化为平面问题。 通过受力分析 ， 对钢岔管 钢筋混凝 土衬砌进行 结构计算 和 配筋计 算 ， 满 足钢 岔管 抗外 压 稳定 的 要求 。 4 钢岔管外包混凝土计算原则和方法 钢岔管承受所有内水压力， 外包钢筋混凝土衬 砌承担所有的外部荷载。外包钢筋混凝土衬砌按隧 洞衬砌的计算方法进行计算， 在垂直水流方向切取 8 个单宽剖面钢岔管外包钢筋混凝土衬砌沿中心高程 6 2 9 2 0 i n 以下 皆作用在岩石上 ， 可按 弹性地基梁考 虑 ， 管顶 以上则回填石渣 ， 回填高程 6 3 9 6 0 i n _ 3 J 。 作用在钢筋混凝土衬砌 上的荷 载 ， 假定在垂直 水流方向是均布的。由于钢筋混凝土衬砌长期埋在 地下， 温度变化小 ， 一般不计运转期 的温度应力。因 本工程为 6度地震 区， 不计地震力。 采用 水利水电工程 P C -1 5 0 0程序集 中 G 1 2隧洞衬砌内力及配筋计算通用程序， 对钢岔管钢 筋混凝土衬砌进行结构计算和配筋计算。结构计算 除满足强度外 ， 应满足抗裂要求 ， 受力钢筋按计算配 置 ， 若采用构造配筋 ， 可按 级钢筋 0 1 5 的配筋率 进行配筋。 5 钢岔管外包混凝土计算过程 先根据经验初步拟定钢岔管外包混凝土厚度 ， 通过受力计算分析， 看是否合理， 若不合理应做调 整。初拟岔管外包混凝土厚度为： 主管段分别为 l ， 0 9 ， 0 7 m； 有 3个岔管 ， 岔管 l 段为1 5 m， 岔管 2段为1 3 m， 岔管 3段为1 1 m； 支 管段大机为0 6 m， 小机为0 5 m。 钢岔管外包混 凝土荷载计算包括结构 自重 、 上 部传来的主变压器设备的重量、 上部回填的石渣重 量及地下水荷载 。其中主变压器设备重量简化成均 布荷载考虑 ， 主变压器在运行期时 ， 将有一台主变压 器作 用在一条轨道基础上 ， 轨道基础再将荷 载传 给 一 】 2 2 一 地下的钢岔管钢筋混凝土衬砌 ， 在检修期 ， 一台主变 压器将放空后作用 在一 条轨道基础上 ， 因此主变压 器在运行期时对外包混凝土是最不利工况 。一台主 变总重1 2 0 t ， 而检修时将油放空 ， 重8 0 t 。 主变的条形基础尺 寸为： 2 i n 5 i n 。因此 主变 作用在钢岔管钢筋混凝土衬砌上的均布荷载为 ： Q =( 1 2 0 ) ( 2 5 )=1 2 ( t m ) ( 1 ) 上部回填的石渣重量及地下水荷载可参见 水 工建筑物荷载设计规范 中相关公式进行， 其中上部 回填石渣重量为作用在埋管上 的垂直土压力和侧向 土压力。 钢岔管钢筋混凝 土衬砌属空间结构 ， 为简化计 算 ， 只在衬砌厚度变化处以及管径变化处 ， 截取垂直 水流方 向单位宽度的 8个断面进行计算 ， 其 中岔管 分岔处按 照城 门洞 形衬砌或 圆角城 门洞形衬砌 计 算 ， 其它 4个断面采用圆形断面衬砌进行计算。 通过计算 主管及支管断面均采用构造 配筋 ， 最 小配筋率为 0 1 5 。岔管处的外包混凝土若按城门 洞形计算， 最大受拉弯距( 最大配筋) 处在城门洞底 角处 ， 若按圆角城门洞形计算 ， 城门洞底角处配筋为 构造配筋 ， 因此岔管处的外包混凝 土配筋应按城 门 洞顶拱与侧墙的配筋控制。计算结果表 明， 初拟 的 外包钢筋混凝土衬砌厚度较为合理 。 6 结论 水电站钢岔管为空间体型 ， 结构较为复杂 ， 钢岔 管外包钢筋 昆 凝 土衬砌结构也很复杂 ， 断面也不规 则 ， 现在只是根据经验将横断面简化成城 门洞型 ， 若 要更清楚的了解外包混凝 土的受力 ， 应采用有限元 的方法进行计算。 参考文献 ： 1 贺奇峰， 徐建明 水电站钢岔管展开探讨 J 机电产品 开发与创新， 2 0 0 9 ， 2 2 ( 0 5 ) ： 3 2 3 4 2 叶冀升 广蓄电站钢筋混凝土衬砌岔管建设的几点经验 J 水力发电学报， 2 0 0 1 ( 0 2 ) ： 9 31 0 5 3 江松笙， 陈洪来 宜兴抽水蓄能电站引水钢岔管及尾水 混凝土岔管的优化研究 C 贵州省科学技术协会 第 六届全国水电站压力管道学术论文集 贵阳： 贵州省科 学技术学会。 2 0 0 6