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1、某水电站坝下游面浅埋管设计 杨嵘 沈明 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 摘 要： 位于高海拔、高地震烈度区的引水压力管道选择保温效果好、抗震性能好的布置和结构型式非常重要。通过对坝下游面浅埋管和坝后背管进行技术经济比较, 选择坝下游面浅埋管型式布置。采用三维有限元法对比分析坝下游面浅埋管钢衬钢筋混凝土与坝体联合受力、钢衬钢筋混凝土联合受力和钢管外包垫层三种结构型式, 分析结果表明, 采用浅埋管钢管外包垫层的结构型式时, 管道周边坝体、钢衬、外包混凝土、管坝接缝应力、裂缝等均满足要求。研究成果可供类似工程参考。关键词： 坝下游面浅埋管; 坝后背管; 钢衬钢筋混凝土; 外包垫层钢管; 作者
2、简介：杨嵘 (1980-) , 男, 高级工程师, 研究方向为水电工程设计, E-mail:yang_收稿日期：2017-02-20Design of Shallow-Buried Penstock in Dam Downstream Face of Hydropower PlantYANG Rong SHEN Ming PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited; Abstract： It is very important for penstock located in high elevation and earthquake i
3、ntensity area to choose the layout and structure of penstock of diversion system with good thermal insulation effect and good seismic performance.Through technical and economic comparison of the shallow-buried penstock in the downstream face of dam and penstock laid on downstream face of dam, shallo
4、w-buried penstock in the downstream face of dam was adopted.Three-dimensional finite element method was used to analyze three structural types, which include combined force of steel-lined reinforced concrete and dam body, combined force of steel-lined and reinforced concrete, and steel pipe laying c
5、ushion.The analysis results show that all stress and crack of the dam close to penstock, steel liner, the wrapped concrete of steel liner, the joint of penstock and dam meet the relevant requirement when applying the structure of steel pipe laying cushion with shallowburied penstock.The study can pr
6、ovide reference for the similar projects.Keyword： shallow-buried penstock in downstream face of dam; penstock laid on downstream face of dam; combined force of steel-lined and reinforced concert; pipe laying cushion; Received： 2017-02-201 工程概况某水电站位于高海拔、高地震烈度区, 正常蓄水位高程 3 447.0m。所在区域属高原温带季风半湿润气候, 多年平均
7、气温为 9.3, 极端最高、最低气温分别为 32.5、16.6, 昼夜温差大。工程场地地震基本烈度为八度, 工程场址区构造稳定性较差, 50 年超越概率 10%的基岩水平向地震动峰值加速度约为18.25g。电站为坝后式开发, 引水系统单管单机布置, 由坝式进水口和压力管道组成。单机额定引水流量为 287 m/s, 钢管直径为 8.5m。压力管道采用坝后背管布置 (方案 1) 和坝下游面浅埋管布置 (方案 2) 型式, 从坝体削弱、管道布置、施工条件和投资等方面进行技术经济比选, 优选保温效果好和抗震性能好的钢管布置型式, 并对坝下游面浅埋管布置的结构型式, 采用三维有限元分析管道周边坝体、钢衬
8、、管道外包混凝土、管坝接缝应力、裂缝等受力情况, 均满足相关要求。2 管道布置型式选择坝后背管型式斜管段约 1/2 直径的钢管埋置于坝体内, 其余部分凸出于下游坝面之外, 钢管外包混凝土 1.5 m, 见图 1 (a) (方案 1) 。坝下游面浅埋管钢管安装后混凝土面与下游坝面齐平, 钢管外包混凝土厚 1.5m, 见图 1 (b) (方案2) 。图 1 管道布置型式 (单位:m) Fig.1 Pipe arrangement 下载原图2.1 管道对坝体削弱计算分析选取厂房坝段 3 394.4 m 高程较薄弱截面, 计算方案 1、2 时的坝体强度, 并验算抗滑稳定承载能力极限状态及坝体上、下游面
9、正常使用极限状态1,2, 结果见表 1。由表 1 可知, 各工况下方案 2 抗滑力略小于方案 1 的抗滑力, 抗滑稳定均满足规范要求;方案 2 层面下游面坝趾压应力略大于方案 1 该处的压应力, 抗压强度承载能力极限状态均满足规范要求;层面上游面均不出现拉应力, 方案2 坝踵垂直应力略小于方案 1 坝踵垂直应力, 满足规范要求2。两种钢管布置型式对坝体削弱影响均较小, 不限制钢管布置型式选择。表 1 各方案下厂房坝段坝体稳定和应力成果 Tab.1 The results of dam stability and stress under different pipe arrangement 下
10、载原表 2.2 管道布置、施工条件及投资影响方案 2 因钢管布置在坝内, 长度较短, 厂房较方案 1 前移 6m, 使大坝与厂房间断面减小, 可节省混凝土 4.510m;厂房上移可减小尾水渠对崩坡积体的开挖;浅埋管钢管埋深较大, 抗震性能较好;工程处于高海拔地区, 外界温度对管道结构受力影响较大, 而方案 1 混凝土三面临空, 对压力管道的保温效果略差。两方案虽然在预留槽尺寸、钢管外包二期混凝土工程量方面稍有差异, 但施工方法基本相同、施工进度及施工干扰方面均基本相当。方案 2 比方案 1 投资少约3 900 万元, 具体见表 2。考虑本工程位于高海拔、高地震烈度区, 方案 2 的钢管抗震性能
11、较好、保温效果较好、工程投资较少, 且坝下游面整体美观度较好, 引水系统按压力管道坝下游浅埋管型式布置。表 2 两方案主要可比工程量及投资估算成果 Tab.2 The results of the main comparable engineering quantity and investment estimation of two schemes 下载原表 3 坝下游面浅埋管结构型式选择浅埋管由于钢管和外包混凝土全部浅埋入坝体, 管道与坝体之间的相互影响较明显, 对浅埋管钢衬钢筋混凝土与坝体联合受力 (方案 A) 、钢衬钢筋混凝土联合受力 (方案 B3, 钢管两侧外包混凝土与坝体间设置垫层
12、) 和钢管外包垫层 (方案 C) 三种结构型式进行比较, 三个方案的结构布置典型剖面见图 2。图 2 三个结构型式方案结构典型断面图 (单位:m) Fig.2 The typical section of three structural types 下载原图选取斜直段 1/2 处截面进行计算分析, 钢衬和钢筋应力计算值见表 3, 管道外包混凝土裂缝宽度分布见图 3, 管道周边坝体混凝土应力分布见图 4。图 3 外包混凝土开裂分布图 Fig.3 The distribution of concrete cracks 下载原图由于钢衬与外包钢筋混凝土完全联合承载, 方案 A 中钢衬应力不突出,
13、最大为80.3 MPa, 但钢筋应力较大, 外侧钢筋应力达 132.8MPa;方案 B 中钢衬应力有所增加, 最大为 83.0 MPa, 钢筋应力仍然较大, 外侧钢筋应力达到 118.2MPa;方案 C 中钢衬应力较大, 最大为 145.7 MPa, 钢衬承担了较多的内水压力, 但钢筋应力下降明显, 外侧钢筋应力最大值不超过 10.0 MPa。对比三个方案的管道外包混凝土裂缝宽度可知, 钢管外包垫层后, 外包混凝土仅在垫层末端偏下的位置开裂, 其余部位基本无开裂, 特征位置外包混凝土最大裂缝宽度不超过 0.031 mm;方案 A 和方案 B 管道外包混凝土最大裂缝宽度均超过 0.300 mm,
14、 前者最大裂缝宽度达到 0.470mm, 后者最大裂缝宽度达到0.420 mm, 且均出现在管顶外侧。根据管道相邻坝体混凝土第一主应力分布对比可知, 钢管外包垫层后, 钢管外包混凝土外侧坝体混凝土拉应力区范围很小, 且应力值未超过抗拉强度;而方案 A 和方案 B 中坝体混凝土均出现一定程度的拉应力区, 且应力值超出混凝土抗拉强度。正常运行工况下的方案 C 管道结构受力较为合理, 可充分发挥钢衬的力学性能, 且有效控制外包混凝土和坝体混凝土开裂, 降低钢筋应力;而其余两个方案钢管外包混凝土均出现较大开裂, 裂缝宽度超出规范限值, 不满足结构永久运行要求。因而坝下游浅埋管结构型式采用外包垫层方案。
15、表 3 三个结构型式钢衬及钢筋应力计算成果 Tab.3 The results of the steel and reinforcement stress of three structural types 下载原表 图 4 坝体混凝土第一主应力分布图 (单位:Pa) Fig.4 The distribution of first principal stress of dam concrete 下载原图4 有限元结构计算分析4.1 管道应力和裂缝计算压力钢管上半部 180范围内设置外包垫层, 下半部与混凝土直接接触, 钢衬与外包混凝土之间受力、传力较为复杂。计算断面和断面点位位置分别见图5、
16、6, 正常运行工况和地震工况下, 钢管应力及外包混凝土应力计算结果见表4。由表 4 可知: (1) 正常运行工况和地震工况下, 垫层敷设范围内的钢衬等效应力较大, 钢管下半部与混凝土直接接触部位的钢衬等效应力较小。正常运行工况下, 钢衬应力最大值为 167.8MPa;地震工况下, 钢衬应力最大值为 102.3MPa, 均出现在下平段 E-E 断面。 (2) 正常运行工况和地震工况下, 管道外包混凝土顶部内外侧均出现明显拉应力, 外包混凝土内侧拉应力大于外侧拉应力, 且内侧拉应力在钢管顶部和底部对应位置较大。正常运行工况下, 外包混凝土内侧最大拉应力为 2.14 MPa, 外侧最大拉应力为 0.90 MPa;地震工况下, 外包混凝土内侧最大拉应力为 1.26 MPa, 外侧最大拉应力为 0.96 MPa。两工况的极值部位相同。图 5 坝后浅埋管计算断面 Fig.5 Calculation sections 下载原图n
