镇墩设计.pdf

水电站明钢管镇墩设计的几个问题黄伟（国家电力公司昆明勘测设计研究院，云南 昆明!#$）!摘要：水电站明钢管通常随地形布置，在地形突变处转弯并设镇墩 且在直段首端设伸缩节，形成相对独立的管段，使各管段受力明确，计算简便。根据已建工程的实践经验，发现若干电站明钢管的镇墩混凝土出现纵向开裂，其安全性令人担忧。文章对镇墩的设计拟作详细的论述。关键词：水电站；明钢管；镇墩设计中图分类号：%&()*+,$文献标识码：-文章编号：$#!.(/$（)#$）#(.#0.#+$镇墩的作用与要求镇墩是分段式明钢管中各管段保证安全的重要建筑物，其基本要求有：（$）在承受各种力（水压力、管重、水重、温度力、地震力等）的条件下，使所在管段不发生移动。（)）镇墩体形要达到既适应地基允许应力要求，又不发生扭转（平面转弯处可能出现）和倾倒（高陡坡、高脚型镇墩可能出现）。（(）镇墩混凝土不发生“危险性”裂缝（上突弯管的腰线纵向裂缝属于此类）。由此可见，镇墩的设计除“有足够的体积（重量）”外，其体形和配筋布置及选用的地基参数（摩擦系数、地基允许应力）也很重要。镇墩与钢管的工作状态：镇墩混凝土内的钢管类似于混凝土坝坝内钢管，当钢管承受内水压力时，必然产生径向变形，外包混凝土应有足够厚度才不至于开裂。规范 12$+.0 第)3+3$条指出“直径不宜大于坝段宽度的$4(”，即外包混凝土厚度最好与管径相等，这显然是办不到的。)镇墩混凝土工作性态镇墩混凝土类似于大孔口混凝土管，要承受内水压力、管段的轴向力和转弯处的不平衡集中力，还要适应钢管诸多径向变形（钢管制作不园度和内压应力相应变形）。由于作用因素众多，实际上是一个受力很复杂的结构物。既要有用其自身重量保证管段稳定的要求，又要有合理的配筋和布置来保证不开裂或控制开裂的要求。上突弯管镇墩尤其突出，若干电站（早期的西洱河四级、九龙河腊庄，近期的白水河二级、格雷电站等）已经出现纵向开裂。上突弯管镇墩由于外包混凝土厚度远远达不到坝内管的要求，而受力情况远比坝内管复杂，所以，混凝土开裂具有必然性。此类镇墩一旦出现腰线纵向裂缝，腰线以上混凝土有被掀起的趋势，非常危险，必须要采取安全保证措施。(上突弯管处镇墩的设计所指“上突弯管”是两端直线管段坡度上缓下陡、向坡外上突的弯管。此类弯管处的镇墩，除有一般镇墩的稳定和地基应力要求外，还应校核它的纵向开裂和研究开裂后的安全评估（即：有些镇墩出现裂缝有它的必然性，但不一定危及电站安全运行）。众所周知的稳定和地基应力要求，文章拟不赘述，仅对镇墩混凝土的开裂和地基深部滑动问题进行论述。（$）上突弯管的受力情况（见图$）!$来自上游管段的轴向力。包括管重和水重的轴向分力、温度升高（或降低）引起的轴向力（支墩和首端伸缩节摩擦力）、水压轴向力等。!)来自下游管段的轴向力。包括伸缩节套管横截面上的水压力、温度升高（或降低）密封填料与管壁摩擦力、水压轴向力等。056(.$)4%78116$#!.(/$云南水力发电9:66;6?第$卷第(期!收稿日期：)#$.#!.$作者简介：黄伟（$/(.），男，湖南湘乡人，教授级高工，主要从事水工建筑物设计工作。!镇墩自重和镇墩上（至上游支墩的跨中）、下（至伸缩节内套管末端）游的水重和管重。还有地基反力和基础摩擦力，图中未表示。图 上突弯管受力情况图（#）弯管转向的轴向水压力该力的来由和作用区，如图#所示，实际上，该力是图示“不平衡力系区”引起的。图#弯管水压不平衡区图现详细分析，并推导出以下公式。转弯角微分!在$%方向的力!#为：!#&!#$!%!%#()*+#&!#$&!#（,&)*+#)*+#式中：!%圆周向微分长度，!%&!#；!%#转弯弧长微分长度，!%#&（-,!)*+）!#；投影到$方向的总力（垂直向）为：&!#!$#$.（,&)*+#）)*+#)*+!#!积分后，得&$.#（+/0!#1+/0!）投影到 2 方向的总力（水平向）3 为：(&!#!#$&（,&)*+#）)*+#!#+/0!积分后，得3&$.#（)*+!1)*+!#）合力 4：4&（）#,（(）#代入并整理得到4#&#$.#1)*+（!#1!）5#或4&6(66$.#1)*+（!#1!）5#必须注意到：这些力是集中于图示的“不平衡力系区”内，且通过钢管传递到镇墩上。传递方式为：通过钢管变形和钢管与混凝土的接触。（7）钢管管壳径向变形。可分解为下列几项8(钢管承受内压膨胀产生应力后的径向变形$.；9(钢管制作安装允许的椭圆度（:;7 规定不超过(:），承受内压后管壳向“理想圆”趋近的径向变位$.#（椭圆长轴向为负，短轴向为正）；)(弯管“不平衡力系区”的力作用于管段产生的径向变位（各点位置的值不等）$.7；?(混凝土干缩径向变位$.6；(钢管冷却收缩径向变位$.黄伟水电站明钢管镇墩设计的几个问题弹模为!#$%&(为例：制作安装椭圆度：!)$#*(+#&,，取对称各半，为(,。&-./0 的允许应力取*(!1#*(%2 3#&45.67，可算出达到该应力时的径向变位!)&为!)&#*(!1)8!1#*59,钢管冷却缝隙：!)(：设!:1#2;!)(#（&1）#1!:1)#（&(%2%&#*34,可见径向变形是由制作安装椭圆度控制。如!)#(,，则外包混凝土应力达到*(&-%$*%&(#-$*(.67，显然，混凝土早已开裂。开裂后镇墩分为上、下两块，为此，必须配备足够的钢筋来保证镇墩的整体性。（(）钢筋的配置设计：上突弯管镇墩的配筋，可以假定混凝土沿钢管水平轴线（腰线）开裂，由钢筋承担弯管上的力 0:，扣除腰线以上混凝土作用后的余力 0?:进行配筋。配筋建议按图 2 所示布设。图 2上突弯管镇墩钢筋布置图钢筋尽可能靠近弯管部位，有困难时再向两端布设；并尽可能随转弯半径的径向布置，有困难时亦可竖向布置。配置的钢筋应有足够的安全度，建议#&*5 A$*之间。当基岩条件好时，可以增加插筋减少混凝土体积或作为安全储备；但必须保证插筋真正起到作用。有的镇墩出现顶部纵向裂缝，主要是钢管制作安装椭圆度过大引起的，如侧向配有足够的钢筋不会危及镇墩的安全。3特殊地基的稳定性验算镇墩的稳定一般仅验算沿建基面的安全度，但值得注意的是，镇墩普遍建于陡坡上，建基面多为水平面或台阶型，而基面以下的岩体结构和产状往往不被重视，当存在不利的结构面、夹层或断层时，该镇墩仍然是不安全的。如图 3 所示。此时，除一般稳定验算外，更要根据软弱结构面的产状和地质力学参数进行验算，并保证有足够的安全度。必要时，采取工程处理措施。图 3建基面以下存在不利构造的镇墩图(建议的抗裂和保安措施根据前面分析，上突弯管镇墩开裂有它的必然性，其中主要是制作安装允许的椭圆度*(!，加上施工时液态混凝土加载后椭圆度更大。然而，已建-云南水力发电$&年第 2 期明管的此类镇墩并非都开裂。分析原因可能是，管径不大，制作安装椭圆度小，水压不高或管外有足够数量的刚性环和钢筋等。对于大管径、高水头的此类镇墩多数出现开裂，如近期建成的贵州白水河二级电站钢管，!#$!%（不大），%&()#%。*!+%及以下镇墩（#!个），在水压试验阶段全部开裂，而上部镇墩（,个）都没有开裂。为了适应钢管径向变位和承受转弯不平衡荷载，建议：（#）配置足够的刚性环（限制制安椭圆度向理想圆趋近，其次是约束管壳受力的径向变形）；（+）刚性环之间的管外，加柔性垫层，适应管壳径向变形；（*）配置足够的钢筋，承受转弯不平衡荷载，防止钢管腰线以上混凝土脱开掀起。即使开裂也不可怕，当裂缝较大时，可将缝予以封闭，以防止钢筋锈蚀。(结 语水电站明钢管的镇墩设计，教科书和-.#$/01规范仅仅对稳定和地基应力作了规定和要求，适用于一般镇墩。对于上段缓、下段陡的上突弯管处的镇墩尚不够全面。此类镇墩多为“高脚型”镇墩（镇墩下游侧基面很低，合力作用点很高），应该核算倾复的可能性和镇墩纵向开裂的可能性，并采用相应工程措施保!证安全运行。（上接 1)页）混凝土结构设计规范的允许值，且目前还没有专门针对有限元算法的应力控制标准，如此大的应力值，很难对其进行应力评价，但是，从应力图分布来看，整个结构中横断面上大于#23&的拉应力区占横断面面积的比例很小，因此，笔者认为，扣除应力集中因素以及模型简化因素，结构的应力水平是合理的。*结 论（#）泄洪洞在运行期间有较大的拉应力出现，最大主拉应力值为#40#23&，但结构中大于#23&的拉应力区占结构横断面面积很小，扣除应力集中因素以及模型简化因素，结构的应力水平是合理的，但在结构设计中应当充分考虑在直墙与底板交界处加大结构配筋；（+）以上分析表明，通过实体单元线性本构关系来分析断层对泄洪洞衬砌结构的影响，效果并不显著，仅靠岩体、断层及衬砌间的材料差别进行应力分析，不能合理的反映出衬砌结构的工作性状，要更真实的反映衬砌、混凝土塞及断层间的相互作用，需要对其进行非线性分析；（*）本次分析仅为静力成果，且在模型建立及荷载施加上存在着近似及简化处理，因此分析成果也有一定的近似性，但本成果可与结构力学法计算成果对照分析，笔者认为，采用两种分析方法的成果综合对泄洪洞进行应力评估更为合理有效，对于结构更为真实的工作性状以及结构的动力响应及非线性特性，有待于作进一步深化分析。图 0横断面第一主应力图（56%+）图,横断面第三主应力图（56%+）#(黄伟水电站明钢管镇墩设计的几个问题