紫坪鋪水利樞紐工程發(fā)電引水系統(tǒng)取消伸縮節(jié)的可行性分析

紫坪鋪水利樞紐工程發(fā)電引水系統(tǒng)取消伸縮節(jié)的可行性分析

在典型的水庫(kù)后壩水庫(kù)中，水庫(kù)和主水庫(kù)的高度不同，庫(kù)中兩個(gè)部分的沉降也不同。此外，在溫度和其他負(fù)荷的作用下，水庫(kù)連接附近容易集中和破壞。為此,一般在主副廠房之間設(shè)有永久縱向縫,并在引水系統(tǒng)上設(shè)置伸縮節(jié),以適應(yīng)地基不均勻沉陷和溫度變化。但大量的工程實(shí)踐表明,設(shè)置伸縮節(jié)后,不僅使工程造價(jià)提高,也給制造、安裝、維修等帶來(lái)很多麻煩,因此近年來(lái)很多工程都提出了取消廠壩間伸縮節(jié)的問(wèn)題。取消廠壩間的鋼管伸縮節(jié),國(guó)內(nèi)外均有先例。如法國(guó)的堅(jiān)西亞水電站、前蘇聯(lián)契爾蓋水電站、委內(nèi)瑞拉古瑞水電站(管徑10.5m),均取消了廠壩間伸縮節(jié)。國(guó)內(nèi)大中型水電站壓力管道取消伸縮節(jié)的工程有鹽鍋峽、石泉、池潭、安康、李家峽、公伯峽等。本文以紫坪鋪水利樞紐工程為例,進(jìn)一步論證了取消伸縮節(jié)的可行性和經(jīng)濟(jì)性。1墊層厚度的確定紫坪鋪水利樞紐工程位于四川省都江堰市西北,距都江堰市約9km的岷江上。電站總裝機(jī)容量為76萬(wàn)kW,4臺(tái)機(jī)單機(jī)容量19萬(wàn)kW,單機(jī)額定引用流量214m3/s。電站引水系統(tǒng)布置在右岸條形山脊,采用單機(jī)單洞布置,出洞后經(jīng)過(guò)一段回填式鋼襯鋼筋混凝土管道,再進(jìn)入地面式廠房。在正常運(yùn)行工況下機(jī)組甩全負(fù)荷時(shí),蝸殼進(jìn)口斷面處最大內(nèi)水壓力(含水擊壓力)為180m。根據(jù)紫坪鋪水利樞紐工程發(fā)電引水系統(tǒng)和廠房布置的具體情況,四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院提出了取消廠前伸縮節(jié)的設(shè)想。具體措施是在主廠房上游永久分縫處鋼管外周設(shè)置一定厚度的軟墊層,以適應(yīng)地基不均勻沉陷和溫度變化。墊層管由2～3節(jié)鋼管組成,節(jié)間預(yù)留2cm寬的環(huán)縫,環(huán)縫外側(cè)設(shè)套環(huán)墊板。在墊層管外壁用墊層材料包裹,用以適應(yīng)施工期主副廠房分縫的不均勻變位和按設(shè)計(jì)比例外傳內(nèi)水壓力。墊層管安裝時(shí)采用特殊支架,以保證在運(yùn)行期墊層管可在軸向和徑向有微小移動(dòng)。在充水前將墊層管預(yù)留的環(huán)縫施焊,此后分縫處不均勻變位、內(nèi)水壓力及溫度變化等荷載,則由墊層管直接承受。要將主副廠房不均勻變位特別是軸向壓縮鋼管所引起的內(nèi)力限制在一定范圍內(nèi),墊層管需要有一定的長(zhǎng)度,經(jīng)綜合考慮,將墊層管長(zhǎng)度初步定為7～12m,以進(jìn)行方案比較。墊層管段按鋼管和外圍混凝土各承擔(dān)總內(nèi)水壓力的75%和25%進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中鋼管承擔(dān)的內(nèi)水壓力由兩部分組成,第一部分為填滿墊層塑性產(chǎn)生的間隙L殘時(shí)所對(duì)應(yīng)的內(nèi)水壓力,第二部分為墊層實(shí)際工作時(shí)鋼管與混凝土聯(lián)合作用情況下鋼管分擔(dān)的內(nèi)水壓力。根據(jù)變位相容條件,可以推導(dǎo)出所需要的墊層厚度為:t=r2EyTrδsEs[(1?Φ)(1?Tr)+ΦEy/P](1)t=r2EyΤrδsEs[(1-Φ)(1-Τr)+ΦEy/Ρ](1)式中t——墊層厚度,mm;Ey——彈模,MPa;δs——鋼管厚度,mm;Es——彈模,MPa;r——鋼管內(nèi)徑,mm;Φ——墊層殘余應(yīng)變;Tr——鋼管承擔(dān)設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力的比例;P——設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力,MPa。將Ey=3.75MPa、δs=32mm(扣除2mm銹蝕厚度)、Es=206GPa、r=0.3萬(wàn)mm、Φ=0.1、Tr=0.75、P=1.8MPa代入式(1),可以算得墊層厚度t=9.5mm,因此墊層厚度選10mm即可。綜上所述,發(fā)電引水系統(tǒng)壓力鋼管進(jìn)廠前(回填管段)管壁厚度取26mm,蝸殼進(jìn)口段管壁厚度取36mm,墊層管段鋼管壁厚取32mm,墊層厚度為10mm,彈性模量為3.75MPa,墊層管長(zhǎng)度取7～12m,據(jù)此進(jìn)行有限元分析。2計(jì)算方案和模型2.1各方案對(duì)紫坪鋪三種洪水系統(tǒng)取消拉伸節(jié)的影響為了研究不同氣溫、水溫以及地質(zhì)條件對(duì)管道應(yīng)力的影響,使紫坪鋪水電站發(fā)電引水系統(tǒng)取消伸縮節(jié)的論證更加完善,共進(jìn)行了7個(gè)方案的計(jì)算,各方案對(duì)應(yīng)的計(jì)算條件、荷載組合和溫度邊界見(jiàn)表1、表2。2.2墊層及鋼管單元的數(shù)值模擬計(jì)算模型:由回填管段、主變平臺(tái)、GIS室基礎(chǔ)、主廠房及地基所組成。共分成混凝土、地基、鋼管及墊層4組單元。計(jì)算時(shí),混凝土、地基、墊層絕大部分采用八結(jié)點(diǎn)等參單元,少量采用三棱柱單元,以方便單元過(guò)渡;鋼管采用板殼單元模擬,計(jì)算模型如圖1所示。邊界條件:在計(jì)算中,基巖的上、下游端面和左、右兩側(cè)及底部按法向連桿模擬,回填管上游端面也按法向連桿模擬,主廠房和上游GIS室其他表面按自由邊界考慮。坐標(biāo)系:原點(diǎn)取在機(jī)組中心安裝高程處;X軸沿水平向,指向左邊(面向下游)為正;Y軸沿鉛垂向,向上為正;Z軸亦為水平向,指向下游為正。3計(jì)算與成就分析3.1墊層管長(zhǎng)度對(duì)預(yù)應(yīng)力的影響取消伸縮節(jié)方案B-1、B-2、B-3,在常規(guī)荷載作用下,主廠房上游分縫處兩側(cè)相對(duì)位移都較小,最大軸向相對(duì)位移0.23mm,徑向相對(duì)位移0.16mm,均遠(yuǎn)低于伸縮節(jié)的設(shè)計(jì)變形量(軸向30mm,徑向5mm)。3個(gè)方案墊層管的位移和分縫兩側(cè)的相對(duì)位移均很接近,說(shuō)明墊層管長(zhǎng)度在7～12m內(nèi)對(duì)分縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)的相對(duì)變位影響不大,3種墊層管長(zhǎng)度均可以滿足結(jié)構(gòu)要求。在彈模為定值3.75MPa的情況下,改變墊層管長(zhǎng)度,將分縫處上游斷面0°、90°、180°和270°4個(gè)點(diǎn)的鋼襯應(yīng)力和混凝土應(yīng)力值列于表3。計(jì)算結(jié)果表明,設(shè)墊層部位鋼管應(yīng)力較大,最大Mises應(yīng)力均在166MPa左右,小于16Mn鋼材的抗力限值σR(190MPa),其他部位鋼管應(yīng)力均較低。說(shuō)明在常規(guī)荷載作用下,本工程取消伸縮節(jié)而代之以墊層管是完全可行的。從應(yīng)力水平來(lái)看,無(wú)論采用哪種墊層管長(zhǎng)度(15.5m,12.7m、10.2m、7.7m),對(duì)分縫處鋼管和混凝土應(yīng)力的影響不大,均可以滿足要求。因此從經(jīng)濟(jì)的角度,墊層管長(zhǎng)度宜盡量取小值;但考慮到紫坪鋪水利樞紐GIS室基礎(chǔ)底板較薄,為了避免該部位混凝土開(kāi)裂,可根據(jù)實(shí)際情況取墊層管長(zhǎng)度為12.7m。3.2墊層階段鋼模應(yīng)力影響在墊層管長(zhǎng)度為定值12.7m的情況下,采用不同墊層彈模進(jìn)行計(jì)算,將分縫處上游斷面0°、90°、180°和270°4個(gè)點(diǎn)的鋼襯應(yīng)力和混凝土應(yīng)力值整理,如圖2、3所示。從圖2、3中可以看出,當(dāng)墊層彈模變小以后,鋼管應(yīng)力隨之增大,但一般都在140MPa以內(nèi)。當(dāng)墊層彈模減小到2MPa時(shí),設(shè)墊層部位鋼管最大Mises應(yīng)力在203MPa左右,略大于16Mn鋼材的抗力限值σR(190MPa)。另外,當(dāng)墊層彈模為3.75MPa時(shí),鋼管外圍混凝土最大拉應(yīng)力約為1.15MPa,低于C25混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度1.3MPa,混凝土可能不裂;但當(dāng)墊層彈模大于3.75MPa時(shí),混凝土最大拉應(yīng)力將超過(guò)C25混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度,從而在混凝土中形成裂縫。說(shuō)明在常規(guī)荷載作用下,本工程取消伸縮節(jié)后,墊層管段的墊層彈模宜在2.00～3.75MPa選取,以保證鋼管和混凝土應(yīng)力均可滿足設(shè)計(jì)要求。3.3墊層鋼管抗力限值在常規(guī)荷載和溫升荷載作用下(方案B-5),墊層管處鋼管應(yīng)力比常規(guī)荷載作用下的應(yīng)力有一定的增長(zhǎng),鋼管最大Mises應(yīng)力由方案B-1的166MPa增加到方案B-5的177MPa,仍然小于墊層管對(duì)應(yīng)的鋼材抗力限值σR(190MPa),這說(shuō)明在常規(guī)荷載和溫升荷載作用下,主廠房上游分縫處墊層鋼管厚度采用32mm基本上可以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。在常規(guī)荷載和溫降荷載作用下(方案B-6),除個(gè)別點(diǎn)鋼管應(yīng)力比常規(guī)荷載作用下的應(yīng)力有一定增長(zhǎng)外,大部分點(diǎn)鋼管應(yīng)力有所下降。鋼管最大Mises應(yīng)力為170MPa,也小于墊層管對(duì)應(yīng)的鋼材抗力限值σR(190MPa),這說(shuō)明在常規(guī)荷載和溫降荷載作用下,主廠房上游分縫處墊層鋼管厚度采用32mm也基本上可以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。4伸縮節(jié)設(shè)置必要性有限元分析計(jì)算表明,紫坪鋪水利樞紐電站主廠房上游側(cè)分縫處設(shè)伸縮節(jié)后,在常規(guī)荷載作用下分縫兩側(cè)的相對(duì)位