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墨脱水电站双钢衬钢筋混凝土压力管道分析研究 摘要 本文系统介绍了压力管道的发展状况，总结了钢衬钢筋混凝土压力管 道设计研究成果和突出的结构优点。随着西部大开发及“西电东送”发展 战略的实现，我国将兴建一批巨型或大型水电站。其中有一部分是超高水 头的电站，如雅鲁藏布江上的墨脱水电站，其毛水头就达2 4 2 1 m 。如果采用 钢衬钢筋混凝土压力管道，管径3 m 左右，在考虑安全系数2 0 的情况下， 单层钢衬的厚度约2 4 0 舢，这远远超出了目前的钢板的制作工艺水平。针对 雅鲁藏布江上的墨脱水电站，本文提出了双钢衬钢筋混凝土压力管道的结 构型式，即内外二层钢衬，中间加钢筋混凝土。中间的钢筋可代替一部分 钢板，这样每层钢衬厚度均不超过目前钢板的生产水平。论文着重探讨了 压力管道的力学特征和破坏机理，主要包括： 1 根据钢衬钢筋混凝土压力管道的结构特点和研究成果，在其结构模 型试验和数学模型的基础上，提出双钢衬钢筋混凝土压力管道合理 的结构计算模型； 2 建立墨脱水电站直管、凸弯管和凹弯管的计算模型。分别进行三维 非线性有限元分析，研究在不同中心水压力作用下，各层钢材的应 力水平、变形，混凝土的应力水平及变形和整个混凝土裂缝的发展 情况； 3 结合墨脱水电站压力管道，分析研究管道内混凝土不同弹性模量对 各层钢材应力水平的影响。研究凸弯段由于管道方向而产生的巨大 不平衡水压力，做锚筋的配筋计算； 4 提出具有整体安全系数为2 o 的墨脱水电站压力管道的设计方案和 计算方案。 研究方法主要是根据单钢衬钢筋混凝土压力管道设计原则、研究成果， 结合结构模型实验成果和非线性分析理论，建立双钢衬钢筋混凝土压力管 道计算模型，使用先进计算软件a n s y s 对双钢衬钢筋混凝土压力管道进行 非线性分析，从而得到双钢衬钢筋混凝土压力管道的应力分布特点和破坏 机理。 研究目的是希望本文提出的双钢衬钢筋混凝土压力管道能解决2 5 0 0 m 超高水头水电站压力管道的结构选型问题，同时为高水头、大流量的抽水 蓄能电站提供一种可选择的引水压力管道型式。 关键词：双钢衬钢筋混凝土压力管道数学模型墨脱水电站非线性分 析 i i t h es t u d yo fm o t u 0h y d r o p o w e r s t a t l 0 n d o u b l es t e e ll i n e r r e i n f o r c e dc o n c r e t e p e n s t o c k s a b s t r a c t t h ed e v e l 叩m e ms t a t u so f p e n s t o c k si si n t r o d u c e ds y s t e m i c a l l y ，r e s e a r c h 缸l i t sa n d o u t s t a l l d i n gp r e d o m i n a n c e o fs t e e ll i n e 卜r e i n f o r c e dc o n c r e t e p e n s t o c l 【sf o rh y d r o e l e 咖cs t a t i o na r es 啪m a r i z e da tf i r s t a 1 0 n g 州心m e a c t u a l i z a t i o no fm es 廿a t e l ；yo fd e v e l o p i n gt h ew e s t e m r e g i o na n dm ed i v e r s i o n o fe l e c t r i c i 够自锄t 1 1 e ，e s t e mt ot h ee a s t e mr e g i o n s ， as e r i e so fh u g e0 r o v e r - h u g eh y d r o e l e c t r i cs t 撕o n sw i l lb e “1 ti nc h i n a ，s 0 m ea r eo v e r - h u g e w a t e r l e v e ls u c ha sm o t u oh y d r o e l e 嘶cs t a t i o nw i m2 4 2 1 m s l e v e l ，w h i c h w i l lb eb u i l t0 n 廿1 ey a l u z 趾g b uj i a n gr i v e r - i ft 1 1 en o 加a 1s t m c t u r e 哪! e 、】l ，i l 3 md i a m e t e ri su s e d ，t 出n gt i l e s a f b t yf a c t o ro f2i n t oa c c o u n t ，t l l e nt l l e m i c k n e s so fm em o n o l a y e rl i i l e rw i l lb e 曲o u t2 4 0 蚴，w h i c hi sn m c h b e y o n d 血ep r e s e n ts l ( i l l1 e v e l d o u b l e 咖e ll i n e r r e i n f o r c e dc o n c r e t ep e n 咖c k si sp u t f o r w a r di no r d e rt 0s 0 1 v et 1 1 e 硒衄e rp r o b l e m t h a ti st 0s t h e r ea r ed o u b l e s t e e l l i n e ra n dr e i l l f - o r c e dc o n c r e t eb e t w e e nm e m t h e r e f o r e ，n os t e e l l i n e rw i l l b eb e y o n dt h ep r e s e n ts k j l ll e v e l ，r e i n f o r c 崦s t e e lb a rc a nt a l 【ep l a c eo f p 枷a l s t e e l1 i n e r 叻es t m c t u r es t y l e sm e c h 锄i c a lc h a r a c t e ra i l dd e s 脚m e c h 蚵s m a r ee m p h a s i z e di nt h e p a p e r 1 t i t h ef 0 1 l o w i i l gp r o b l e m sa r ef o c u s e do ni nt l l i sp 印e r 1 t h es t m c t u r em o d e lo fd o u b l es t e e ll i n e r _ r e i n f o r c e dc o n c r e t ep e n s t o c k s i sb u i l to nt h eb a s i so ft l l et e s tm o d e la 1 1 ds 协j c t u r em o d e lo ft h es i n 9 1 e s t e e ll i n e r _ r e i n f o 】c e dp e n s t o c k s 。a n dm em e c h a n i c a lc h a r a c t e ra n dd e s t r o y m e c h a n i s ma r em a i n l ys t u d yh e r e 2 ni sf i r s t l yb u i l t 吐l a tm em o d e lo ft h em o t u oh y d e l e c t r i cw a c e rg t a t i o n s 舰i g h tp e n s t o c k sa 1 1 dm ea b o v ec u r v ep e n s t o c k sa n dm eb l o wc u r v e p e n s t o c k si s b u i l tf i r s t l y _ a n dt ow h i c hn o n - l i n e a ra n a l y s i si sm a i l e ， a n a j y z i n gt 1 1 eg s sm a p 、d i s p l a c e m e n to ft 1 1 es t e e l 眦dc o n c r e t e ，a n d c r a c k s d e v e l o p m e n t o fc o n c r e t e i n s i d ea n do u t s i d e吐1 e p e n s t o c k s 山e r e f b r eh a v i n gac e r t a i n 一1 e v e lu n d e n t a n d i n go fm e d h a l l i c a l c h a r a c t e ra i l dd e s t m ym e c h a n i s mo fd o u b l es t e e l l i n e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t e p e n s t o c k sm r o u g l lm ea n a l y s i sm e n t i o n e d a b o v e 3 a n a l y s em es t r e s sc h a i l g eo fe v e ul a y e rs t e e l r e l a t e dt 0d i 脑r e n te o f m ec o n c r e t ei n s i d et h ep e n s t o c l ( s ，w i mt l l ep e n s t o c k s o f 【o t u o h y d r o e l e c t r i cw a t e rs 协t i o n 4 h 1t i l i sp 印e rh a v eb e e nm a d et l l ed e s i g i la 1 1 dc a l c u l a t i n gs c h e m ef o r m o t u 0h y d r o e l e c t r i cw a t e rs t a t i o np e n s t o c k s ，t a 虹n g l es a f 音哆f a c t o ro f 2 i n t oa c c o u m r e s e a r c hm e m o di 1 1t 1 1 i sp 印e ri st h a t ：f i r s t ，t l cs t r u c t u r em o d e lo fd o u b l e s t e e l1 m e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t ep e n s t o c l ( si sb u i l ta i l dn o n l i n e a ra 1 1 a l y z e db y s o f h a r en 锄e da n s y s ，w h i c hi sb a s e do nd e s i g np r i i l c i p l e 、r e s e a r c hm l i t s 、 m o d e lt e s t 甜1 dn o n l i n e a ra 1 1 a l y s i s 如i 乜o fs t e e ll i n e h ? e i n f o r c e dc o n c r e t e p e n s t o c k s c o n s e q u e m l y ，i t s0 p t i m i z a t i o nd e s i 驴m o d e l 、s 仃e s s - s t r a i nc h a r a c t e r a 1 1 dd e s 廿o ym e c h a n i s ma r ea c q u i r e d t h ep 印e rt a 唱e ti st l l a tt l l en e w 蛐m c t u r em o d e lo fd o u b l es t e e l l 血e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t ep e n s t o c k sd i s c u s s e dc a nm e e t 廿1 en e e do fp a r t i c l l l a r p e n s t o c k ss m l c t u r em o d e lw i t l l2 5 0 0m w a t e rl e v e l ，o n 廿l eo t l l e rh a i l d ，i tc a l l p r o v i d ea s e l e c t i v ep e n s t o c k sm o d e lf o rp u n l pw a t e ra n ds a v e e r l e r 舒 h y d r o e l e c 竹i cs t a t i o n 。 k e yw o r d s ：d o u b l es t e e l l i e r - 咒i n f 0 h e dc o n c r e t ep e n s t o c l 【s ；m a t h e m a t i c sm o d d ； 】o t i i oh y d r o e i e c t i cs t a t i o n ；n o n u n e a ra n a l y s i s v 广西大学硕士论文 墨脱水电站双钢衬钢筋混凝土压力管道分析研究 第一章绪论 1 1 水电站压力钢管结构的发展状况“2 3 钔。1 压力管道是水利水电工程中输水建筑物的重要组成部分。将水从水库前池或调压室 在有压条件下引入水轮机或其它设备，以满足发电供水要求。压力管道的发展，是与社 会生产力及科学技术的发展水平相应的，同样也经历了由小型到大型，由简单到复杂的 历史过程。按布置形式压力管道可分露天式、埋藏式、坝面式：按结构特征和受力特点 压力管道可分为压力钢管( 包括露天钢管、箍管、双层管、多层管) 、地下埋管、坝内 埋管、钢衬钢筋混凝土压力管道、钢衬一预应力混凝土压力管道。 1 、露天明钢管 是最基本的水电站压力引水管道。具有维护检查方便、受力明确，结构分 析成果可信、不易发生外压失稳、经济安全等优点。但由于钢板连接工艺和方 法的局限性，明管早期仅用于小型的压力管道。随着电弧焊的发明，使钢板高 质量焊接得以实现，促进了高h d 压力管道的蓬勃发展，如3 0 年代法国的奥流 水电站( 水头9 8 0 m ，管壁厚4 5 衄) ，美国的胡佛坝水电站( 管径9 m ，壁厚7 0 衄) 。随后建设的超巨型压力管道有意大利的赛费奥拉那水电站( h d = 3 2 6 6 m m ) ， 奥地利的罗达乌水电站( h d = 3 1 7 3 m m ) 和法国的拉科西水电站( h d = 3 0 4 8 m m ) ， 1 9 9 2 年建成的我国广西天湖水电站( 水头1 1 8 l m ，管径1 m ，最大壁厚为3 6 衄) 。 这些水电站压力管道均采用露天压力管道。它只是单独靠管壁承受内水压力， 对巨型、超巨型压力管道这种结构毕竟有些“身单力薄”了，同时，管壁的无 限增厚使钢管的制造、焊接等技术问题愈来愈突出，这时法国和意大利工程师 发明了箍管，用密排的无缝钢箍套在管壳上，以加强管壳。箍管的基本思想是 让管壁与外面的高强钢箍共同承担内水压力，从而减薄了管壁的厚度。当箍管 不足以保证必须的安全度时，法国工程师们把单个的箍管改成整片的外管壳， 外管壳使用高强钢。于是，箍管变成了双层管。在美国，也有双层、多层管的 制作和试验。在奥地利和瑞士，采用各种双层钢板管壳，两层之间填充可以传 递荷载的浆液。 广西大学硕士论文 墨脱水电站双钢衬钢筋混凝土压力管道分析研究 2 、埋管 尽管露天明钢管有很多优点，但并非所有情况都能适用。如地下电站的引 水管道，许多工程的管道沿线地面条件不利，采用明管会碰上滑坡、泥石流等 情况。还有就是由于压力钢管的水头和尺寸不断增加，设计和制作明管的困难 加大。埋管这一结构型式应运而生，采用埋管可以利用围岩抗力来承担一部分 甚至大部分的内水压力，同时可以减少引水管道的长度和工程投资。不论地下 埋管还是坝内埋管，周围的岩体或混凝土结构总要承担一部分内水压力，承担 力的大小和管周围介质的力学特性有关。在6 0 年代以前，坝后式水电站多采用 坝内埋管。这种布置方式可以使引水管道长度最短，从而减少了水头损失，降 低了水击压力，提高了发电效率，节省了工程投资。但当管道直径和内水压力 较大时，这种结构型式逐渐暴露出其缺点：当管径较大时，对坝体整体结构 削弱较大，对坝体应力分布和抗滑稳定非常不利；管道初期充水时，由于水 温较低，管周的温度应力较大：坝体与管道的施工干扰较大，影响施工进度。 尽管人们希望通过在钢衬与混凝土之间加弹性垫层的方法克服以上缺点，但效 果不尽人意，不能从根本上解决上述问题。广西岩滩水电站引水压力管道采用 坝内埋管，4 条管径为l o 8 m ，设计水头为8 2 0 m ，钢衬最大壁厚为3 2 o m m ，为 我国管径最大的坝内埋管，设计水头最大的坝内埋管则为青海龙羊峡水电站坝 内埋管，设计水头高达1 7 1 4 m ，这两座水电站的引水管道代表了我国坝内埋管 最高水平。 3 、坝下游面压力钢管 到6 0 年代，前苏联列宁格勒水工设计院和特种设计局列宁格勒钢结构研 究所，先后完成了克拉斯诺雅尔斯克水电站和契尔克依水电站坝后式管道的设 计，设计中把管道布置在下游坝面，这是管道设计的一个创新。混凝土坝下游 面压力钢管结构形式主要有两种类型： 坝下游面明钢管，钢管从坝体穿出以后，连接上弯管，上弯管锚固在坝体 上，是下游坝面管的上固定端。明钢管用支承环支承在坝下游面上的支墩上， 其布置和构造与一般的露天钢管相似。钢管斜直段以下连接下弯管，下弯管亦 固定在坝体上，成为坝下游面明钢管的下固定端，然后进入厂房与蜗壳相连。 比如1 9 9 1 年建成的巴西伊泰普水电站，其双支墩重力坝高1 9 6 m ，钢管直径 1 0 5 m ，斜直段为明钢管，管壁厚度为3 0 6 5 m m ，单机容量7 1 5 m w ，坝下游面明 2 广西大学硕士论文 墨脱水电站双钢衬钢筋混凝土压力管道分析研究 钢管的现场安装工作量小，进度快，与坝体旆工干扰小。但是当钢管直径和水 头很大时，可能要加大钢管材料的强度和施工工艺上的困难。敷设在下游坝面 上的明钢管一旦失事，水流直冲厂房，将产生灾难性的后果，因此必须要求钢 管具有极高的安全可靠性。 坝下游面钢衬钢筋混凝土管，如上所述，当钢管直径和水头很大时，如 果坝下游面管采用明钢管结构，可能要提高钢管材料的强度和增加施工工艺上 的困难，尤其是在钢铁工业相对落后的发展中国家，这时就可以采用钢衬钢筋 混凝土结构。钢衬钢筋混凝土管道是内衬钢板外包钢筋混凝土的组合结构，管 道用坝下游面上的键槽及锚筋与坝体固定。钢衬与混凝土之间不设垫层，二者 共同承担内水压力。这种结构的实质是用钢筋混凝土代替了部分钢板，它的优 点是： a 、是一种钢板衬砌与外包钢筋混凝土联合受内水压力的结构，由于用钢筋混凝土 代替了部分的钢板，可以减少钢板厚度，避免采用高强钢、厚钢板引起的技术、 经济上的问题； b 、 由于环向钢筋接头分散，钢管和钢筋在同一个地方破裂的机率极小，即使发生 事故，也不是撕裂性的突发事故，所以管道的整体安全性较高； c 、 在工程布置上，改变了传统的坝内埋管形式，将压力管道布置在下游坝面，从 而减少了管道空腔对坝体的削弱，减少了坝体施工与管道安装施工的干扰，有 利于保证施工质量和进度； d 、减少了外界因素对管道破坏的可能性，在严寒地区有利于管道防冻； e 、 管道位于坝体轮廓线以外，所以允许混凝土开裂，使钢衬和钢筋可以充分地发 挥承载作用。 世界最大水电站三峡水电站引水压力管道采用坝下游面钢衬钢筋混凝土压 力管道，管径达1 2 4 m ，设计水头为1 3 9 5 m ，h d = 1 7 3 0 m m ，钢衬厚度最大达3 4 m ， 外包设置3 层环筋。 4 、预应力钢衬钢筋混凝土压力管道 要使钢衬钢筋混凝土压力管道的外层钢筋充分地发挥作用，就要允许外包钢筋混 凝土开裂，但是外包钢筋混凝土开裂后，不仅降低了管道的刚度，而且不利于结构的 耐久性。为了防止外包混凝土的开裂，提出了预应力钢衬钢筋混凝土压力管道，只要 解决了预应力的施加方法和旌工工艺及结构优化等问题，这种结构形式将有广阔的实 3 广西大学硕士论文 墨脱水电站双钢衬钢筋混凝土压力管道分析研究 际应用前景。 1 2 水电站钢衬钢筋混凝土压力钢管研究成果回顾 钢衬钢筋混凝土压力管道自2 0 世纪6 0 年代起，在国内外都得到了广泛的应用，积 累了丰富的工程经验，也做了大量的大比尺仿真模型试验，得到了大量的试验成果。对 钢衬钢筋混凝土压力管道的静力响应和破坏机理有了深入的理解，取得了一系列喜人成 果。 1 2 1 水电站钢衬钢筋混凝土压力钢管工程实例“1 钢衬钢筋混凝土压力钢管作为一种较新的水电站引水压力钢管结构型式已得到广 泛的应用。前苏联于2 0 世纪6 0 年代在一些大的水电站，如克拉斯诺雅尔斯克电站、萨 扬舒申斯克电站等开始应用这种结构。我国从2 0 世纪8 0 年代后也在一些水电工程中采 用，如紧水滩水电站、东江水电站、李家峡水电站、五强溪水电站、三峡水电站、云南 伊萨河二级水电站( 引水式地面管) 等。钢衬钢筋混凝土管工程实例见表1 。 由该表可知在国内外的钢衬钢筋混凝土压力管道工程实例中，最大工作水头为前苏 联的萨扬舒申斯克水电站，高达2 6 7 m ；内径最大是我国的三峡水电站为1 2 4 m ，该水电 站压力管道的h d = 1 7 3 0 m m 也为最大：钢衬厚度最大为4 0 哪，为克拉斯诺雅尔斯克水电 站。这些代表了世界最高水平的压力管道，但离本文所研究的毛水头高达2 4 2 1 米的墨 脱水电站压力管道的要求还是相差甚远。 表1 1 钢衬钢筋混凝土压力管道工程实例 最大环外包混 静作用晟大作钢管直撇 工程虽大坝钢衬厚筋折算凝土厚 坝型水头 用水头径dm t t揪 名称高血)度t 厚度t 3度t i 血)h 血)血)k ( m )湎) 克拉 重 斯诺 力 1 2 5 1 1 21 3 0z5 9 7 5 3 2 4 0l 重20 3 5 51 5z7 雅尔 坝 斯克 4 广西大学硕士论文 墨脱水电站双钢衬钢筋混凝土压力管道分析研究 契尔双曲 2 3 32 0 92 2 95 51 2 6 02 01 1 5n5 7 5 1 5z 4 盖拱坝 萨扬 重力 舒申 2 4 52 2 62 6 77 52 0 0 31 6 3 02 6 7n8 9 3 1 5l _ 8 拱坝 斯克 库普重 沙伊 力1 1 39 1 5 1 0 l 7 o7 凹 1 0z 髓 斯克坝 双曲 东江 1 5 71 4 l1 5 75 28 1 61 4 1 61 2 2n7 6 3z o 拱坝 紧水双曲 1 0 29 0 7 1 0 24 | 54 5 91 6 1 86 4 7n3 5 91 0 滩拱坝 李家双曲 1 5 51 3 51 5 2 8 o1 2 1 62 0 3 21 重5n5 5 91 52 2 峡拱坝 五强重 8 7 56 0 1 5 8 01 1 _ 28 9 61 8 2 21 3 on5 9 2& o2 2 溪力坝 重 三峡 1 8 lu 81 3 9 51 2 41 7 3 0 2 8 41 1n 6 9 92 0z o 力坝 1 2 2 云南依萨河二级水电站压力管道 1 2 1 我国云南省元江县依萨河二级水电站的地面压力管道，包括水锤压力在内的压力钢 管最大工作水头为9 9 4 m ，属特高水头电站，其水头目前居国内第二位。该水电站地面 钢管末段采用钢衬钢筋混凝土压力管道。 该工程总装机容量2 5 万k w ( 2 1 2 5 万k w ) ，尾水用于农田灌溉。电站引水系统 根据工程条件采用明管方案，管道沿山脊蜿蜒而下，全长2 6 7 0 m ，具有多个空间和平面 转弯，共设2 7 个镇墩。电站引水流量为3 6 m 3 s ，上段管径1 1 m ，下段管径1 0 m 。管 道最大静水头为9 0 5 1 5 m ，包括水锤压力在内的压力管道最大工作水头为9 9 4 m ，属特 高水头水电站，其水头目前居国内第二位。经论证引水管道的大部分管段采用明钢管结 广西大学硕士论文墨脱水电站双钢衬钢筋混凝土压力管道分析研究 构是可行的。但是，对于长为2 8 5 m 的主管末段，若采用明钢管，采用1 6 m n r 钢材设 计，管壁厚度可达3 2 3 6 m m 。对于这样的小管经管道，则存在环缝双面焊接、冷卷成 型消除应力热处理或热卷成型等一系列工艺困难，直接影响工程进度和增加工程造价。 为解决此矛盾，中国水利水电科学研究院于1 9 9 1 年与昆明勘测设计研究院合作。提出 末段管道采用钢衬钢筋混凝土压力管道新型结构方案。采用这种复合式的明管结构国内 尚属首例。经过结构优化设计、非线性有限元分析和大比尺结构模型试验，决定采用钢 衬钢筋混凝土联合受力结构，将钢板减薄到2 6 m m ( 管道末端) 。外设环形钢筋内、外 两层，内外圈直径分别为1 1 0 c m 和1 7 0 c m ，内层环筋9 d 2 8 ，外层环筋8 0 2 2 。外包混凝 土圆筒厚3 5 0 c m 。采用这种设计方案，与明钢管方案相比，提高了结构的安全度。节 约投资2 0 ，同时加快了施工速度。建成后运行状况良好。 在设计过程中，为了充分发挥各层钢材的材料强度，对管道进行了优化设计。采用 了复合式管道结构优化设计的原理和方法，在优化设计过程中，采用了正交异性模型的 准解析方法，这种高效的应力解法可满足优化计算过程中反复运算的要求。在计算中， 把钢衬和各层环筋一律视为钢环，将各层钢环厚度作为设计变量，将钢材总体积或钢材 的总价作为目标函数，后者可反映钢板与钢筋单价的差异。由于采用了优化设计方法， 节省钢材1 0 一1 5 。 模型试验由电力部昆明勘测设计研究院和中国水利水电科学研究院共同完成。结构 模型试验的目的，是为了研究钢衬钢筋混凝土管道在内水压力作用下钢衬、钢筋和混凝 土的应力和变形情况；测试混凝土的开裂特征，如混凝土初裂荷载，裂缝宽度和裂缝分 布状况；确定钢衬钢筋混凝土压力管道的超载能力和结构整体安全度。为了消除模型比 尺效应的影响，真实地反映结构的实际工况，量测混凝土实际裂缝宽度和初始径向间隙 值，模型试验采用的模型比尺为1 ：1 ，并采用与现场施工完全相同的材料及混凝土配 合比制作模型。共制作了两个模型，1 号模型无连接件，2 号模型设置连接件。其他的 条件如几何尺寸、混凝土配合比等两模型相同，以便对连接件的作用进行评价。 非线性有限元全过程分析。混凝土裂缝的处理方法，采用分布裂缝模型，即把拉裂 混凝土处理为正交异性材料，并通过剪力传递效应。钢筋则采用分布钢筋模型。计算中 的材料的参数全部采用试验模型的数值。对模型1 和模型2 分别进行了计算。计算从p = 0 开始，分级加载，直至p = 2 8 o m p a ，荷载步分为1 6 0 步，得到了约6 0 余万个数 据，信息量极为丰富。 广西大学硕士论文墨脱水电站双钢衬钢筋混凝土压力管道分析研究 图l l 依萨河二级水电站压力管道布置示意图 f 唔l - 11 1 l el a y o u to f p e n s t o c l c so f s a l l eh y d r o p o w e rs 诅t i o n 1 2 3 广西天湖水电站压力管道“” 最后，还补充说明明钢管问题，我国广西天湖水电站位于广西壮族自治区全州县境 内，距桂林市1 3 8k m 。电站设计毛水头1 0 7 4m ，含间接水击水头后，h = 1 1 8 7m 。含直 接水击水头后，h = 1 5 0 0m ，为我国第一座千米水头水电站：最大引用流量q = 1 7 6m3 s 4 = 7 0 4 m 3 s ；设计安装4 台冲击式水轮发电机组，装机容量n = l5m wx4 = 6 0m w ， 近期为n = 1 5m w 2 = 3 0 m w ，于1 9 9 2 年1 1 月投产，一直正常运行。压力钢管下段1 2 0 0 m 长 为明管，直径为lm ，最大壁厚4 6m ；每条钢管末端设y 形岔管向2 台机组供水。支管直 径为0 7m ，壁厚4 0 3 4 唧。钢管承受最大工作压力1 1 8 1 m p a ，p d 值1 1 8 1 k n 唧，该两 参数均超过当时我国正在执行的水电站压力钢管设计规范( 试行) s d l 4 4 8 5 的适用 范围，该规范规定的适用范围是：内压不超过6 m p a ，p d 值不超过8 k n m ，超过的参照 使用规范。并作了必要的补充研究。 管路布置。约占1 3 长( 7 6 6 m ) 的管段置于“8 2 7 平硐”内，其前端与无衬砌斜洞相 接，约占2 3 长( 1 5 8 l m ) 的管段置于山坡上，镇墩设置原则上按1 0 0 m 距离设计，根据地 形情况最大间距1 2 0 m ，最小5 0 m ，支墩间距为1 0 m 。镇墩下游侧设承插式伸缩节，钢管约 2 0 0 m 一段设进人孔1 个，并紧邻伸缩节。为了放空水道，分别在1 4 0 0 ，8 2 7 ，和3 7 0 m 3 个 高程上设3 级泄水闸阀，泄水管径a 1 2 0 咖，出口设消能工。 材料选择。钢管制作为了易于取得材料，采用水电站压力钢管设计规范( 试行) s d l 4 4 8 5 中推荐的国内生产的常用钢种q 2 3 5 和1 6 m n 钢。该两种钢材均属低碳钢，其 7 广西大学硕士论文墨脱水电站双钢衬钢筋混凝土压力管道分析研究 化学成份和力学性能、延展性能等都较好。在钢管附件中，根据需要用了少量特种钢和 新材料，如进人孑l 的法兰和盖板用了铬铝钢，采用了特二铝替代常规采用的铅作封水材 料；伸缩节采用了聚四氟乙烯石棉盘根作封水材料；在岔管中采用了西德产品1 9 m n 6 钢 作月牙肋。 钢管结构设计。该电站压力钢管，由于承受内压高。流量小，因而管壁厚，管径小， 大卷板机可卷制厚钢板，但不能卷制小直径钢管；小卷板机能卷制小直径钢管，却不能 卷制厚钢板。因此必须考虑到制造厂家卷板设备情况进行管径和管壁厚度的设计。明管 全部采用1 6 m n 或1 6 m n r 钢，最小壁厚2 6 咖，最大4 6 咖。彷管采用h 形布置方式，两支管 夹角为6 0 。，为月牙肋内加强岔管，壳体最大壁厚6 0 咖，月牙肋厚1 2 0 m m 。伸缩节采用 常规承插式结构，考虑到它常处于高压水的条件下运行，防止水封滑动面生锈和减少摩 阻力至为重要，故要求滑动面镀铬，并且采用防渗性能高，强度大，耐压耐腐蚀好，摩 阻系数小的聚四氟乙稀石棉盘根作防水填充料。进人孔亦采用常规的盖板外开的圆孔形 式，人孔内径4 5 0 唧，最厚的人孔盖板厚1 1 0 咖，并用“特二铝”作水封材料，代替常用 的铅封水。 钢管支座设计。压力钢管的支座采用滚动支座，如果按传统设计，滚动支座必有支 承环。但支承环对钢管的加工、运输、安装都不便。因为该钢管的最小壁厚2 8 册，最大 壁厚4 6 m m ，采用q 2 3 5 及1 6 m n 两种钢材，按规范规定，凡管壁厚度大于3 4 唧均需进行焊前 预热，焊后热处理，这部分工作量很大，如再加上支承环，这项工作将变得更复杂而且 增加了工作难度。因为钢管须热处理，而支承环又必须在钢管加工厂家整套( 钢管及支 承环) 加工完后方出厂这样由于钢管上有了支承环，不仅给运输带来不便，而且给钢管 安装也增加了困难，因为钢管在工地安装时必须使每个支承环在支墩上正位后两钢管的 间隙才能焊接，而每节钢管连同支承环的重量大都超过1 0 t 。鉴于以上原因，提出了一 个新的压力钢管支座方案。压力钢管滚动支承架为一与压力钢管离的独立结构，其主要 部件为：l 块与钢管外缘相吻舍的弧形板，2 块承受压力钢管传来的正向压力的正面边板， 1 块起联系作用的底板，2 块起联系作用的侧边板，4 块起支承作用的支承座板，4 个辊轴。 其轨道及埋件结构与一般滚动支座的埋件相同。使用时，先将轨道埋件预埋在支墩上， 然后把支承架装在轨道上，置钢管于其上即可。 广西大学硕士论文 墨脱水电站双钢衬钢筋混凝土压力管道分析研究 1 2 4 电站钢衬钢筋混凝土压力钢管结构模型试验叫“n l m 2 结构模型试验是建立钢衬钢筋混凝土压力管道结构数学模型的重要基础。 一方面，通过模型试验掌握这种结构承载后的特征和破坏状况，以建立结构的 计算模型。另一方面，在初步建立起的数学模型后，用试验模型的结果去检验 数学模型，或者对后者进行必要的修正。8 0 年代以来，国内一些科研、设计部 门和高等院校，结合重大水电站工程建设和国家科技攻关任务，对钢衬钢筋混 凝土压力管道这种新型结构，进行了全方位的长期研究，主要围绕设计计算方 法和结构模型试验这两条主线展开。在模型试验方面，进行了数十个不同比尺 的模型破坏试验，获得了极为丰富的试验数据。其中有五组大比尺的仿真材料 结构模型试验，试验规模大，观测项目多，更接近原型的工况，其试验成果十 分宝贵。这五组试验是由电力部中南勘测设计研究院完成的东江水电站管道结 构模型试验( 1 9 8 5 年) ，由电力部昆明勘测设计研究院与中国水利水电科学研究 院共同完成的伊萨河二级水电站管道结构模型试验( 1 9 9 2 年) ，由武汉水利电力 大学完成的三峡水电站斜直段管道结构模型试验( 1 9 9 6 年) ，以及由广西大学完 成的三峡水电站管道下弯段和上弯段两组结构模型试验( 1 9 9 6 年) 。 己完成的若干大比尺仿真模型结构破坏试验，提供了丰富的试验成果，使我们对钢 衬钢筋混凝土压力管道的静力响应和破坏机理有了深入的理解，具体如下： 1 ) 钢衬与外包钢筋混凝土可以良好的联合工作，共同承受内水压荷载； 2 ) 在混凝土出现径向裂缝前后，钢材与混凝土承载比有很大差别。混凝土开裂 前，由混凝土承担大部分内水压荷载，钢材的应力水平普遍不高，相距屈服强度甚 远。若干径向裂缝出现后，混凝土基本不承担内水压力，但可以继续传递径向压力， 由钢衬和各层环向钢筋承担内水压力，钢材的应力明显提高； 3 ) 在出现若干径向裂缝后，各层钢材的应力分布状况是：圆筒一侧应力相对较 高，大坝一侧应力相对较低。在同一断面线上( 如9 0 。，1 8 0 。) ，刚衬与各层环 筋的环向拉应力也不同，主要取决于配筋状况。对同一层环筋，混凝土裂缝附近的 钢筋应力，高于其它部位的钢筋应力； 4 ) 随着内水压荷载的增加，各层钢材相继达到屈服，由于结构内部应力进行调 整，直到最后一层钢材屈服时，结构仍保持整体状态。可定义该状态为结构整体屈 服状态或破坏状态，该状态对应的内水压荷载与设计荷载之比定义为超载系数，在 9 广西大学硕士论文 墨脱水电站双钢衬钢筋混凝土压力管道分析研究 进行的结构破坏试验中，超载系数一般都大于2 1 ： 5 ) 在结构整体屈服后继续加载，结构产生大的径向变形，并未发生爆裂现象， 终因变形过大而无法加载。结构表现出良好的延性： 6 ) 在递增的荷载作用下，径向裂缝陆续产生，在某一特定荷载下，裂缝出齐， 数目基本稳定。裂缝分布均匀，大多在圆筒一侧。在设计水压作用下，均不向坝体 一侧伸延。裂缝宽度和形状取决于荷载水平、保护层厚度和配筋状况等，钢衬相对 较薄，配筋相对较多，钢筋较细，外包混凝土相对较薄的管道结构的裂缝宽度相对 较小。另外，在大多数模型试验中，径向裂缝基本上是贯穿性的通缝。而在混凝土 壁厚实际尺寸为1 0 m 的斜直段模型中，在设计荷载作用下，除通缝外还产生若干条 短缝； 7 ) 下游坝面管上弯段由于不平衡力的作用，受力状况复杂。管道由坝体内向坝 面伸出处，因几何尺寸突变，引起应力集中； 8 ) 钢衬与混凝土之间的间隙直接影响各层钢材的承载比例，对于管径较小的管 道，间隙的影响更为突出，这种情况下，在钢衬与内层环筋间设置连接件是必要和 有效的。 1 3雅鲁藏布江墨脱水电站1 7 1 中国西藏的雅鲁藏布江，发源于世界屋脊喜马拉雅山北麓西侧，自西向东平行于喜 马拉雅山脉，流至西藏东部米林县，随着横断山脉形成墨脱大河弯，折向南行绕过喜马 拉雅山脉东侧，其下游为布拉马巴普特拉河，经印度河孟加拉国与恒河汇合注入印度洋。 雅鲁藏布江是我国水能资源最富集的河流，特别是下游河湾河段的资源藏量，具有很人 的潜在的典型意义和吸引力。开发规模在相当时间内尚与西藏地区用电需求不相应，但 远距离送给国内用电市场，或考虑供应东南亚国际电力市场，将有极大的发展前景。雅 鲁藏布江在我国境内的流域面积仅为2 4 万l ( f 1 1 2 ，而降水径流和落差很大，理论水能蕴藏 量约为1 o 万亿k w h a ，其中可开发装机容量为5 6 2 0 6 2 7 0 万k w ，年发电量为3 3 4 0 亿一3 7 3 0 亿k w h ，居中国大河流域的第二位，未来可能建成全国最大的水电站基地。 雅鲁藏布江干流总长为2 0 5 7 k m ，总落差为5 4 3 5 m 。其中里牧以上为上游，河长2 6 8 k m ， 海拔5 5 9 0 4 3 5 0 m ；里牧至林芝县派区中游，河长为1 2 9 3 l ( 【f l ，海拔为4 3 5 0 2 9 1 2 m ；派 区以下为下游，随横断山脉经大河弯向南穿过喜马拉雅山脉至巴昔卡，河长为4 9 6 k m ， 1 0 广西大学硕士论文 墨脱水电站双钢衬钢筋混凝土压力管道分析研究 海拔由2 9 1 2 m 骤减至1 5 5 m ，落差很集中，平均每公里河长可开发水能资源为1 0 亿一1 1 亿k w h a ，是仅次于非洲扎伊尔河下游段的世界第二水能资源最富集河段。1 9 9 2 年干 流上中游河段规划按1 0 级水电站开发：岗科2 7 0 万k w ，谷鲁1 7 o 万k w ，仁庆顶1 5 0 万k w ，帕刹1 3 o 万k w ，彭错林3 0 0 万k w ，索朗嗄咕5 0 o 万k w ，曲水9 6 万k w ， 加查1 6 5 万k w ，朗县1 2 0 万k w ，日雪4 2 o 万k w 。1 0 级共利用水头1 1 4 4 m ，装机容量为 4 8 9 万k w ，年发电量为2 7 2 亿k w h ，其中，日喀则附近的彭错林和拉萨市附近的索朗 嗄咕开发条件比较好，下游河段在林芝县派区至墨脱县希让村的大河弯，河道长2 6 0 k m ， 天然落差为2 3 5 0 m ，设计有两种方案： ( a ) 裁弯取直一级开发方案。初步规划在派区附近大渡卡建坝，正常蓄水位2 9 8 5 m ， 水库总库容1 7 5 亿m 3 ，其中调节库容1 1 2 亿m 3 ：在大河弯处裁弯取直，开挖3 条直径为 1 3 m 的压力隧洞，各长3 3 9 k m ，下接调压井和9 条直径为7 m 的高压钢管，各长5 k m ，引 水至墨脱县下游：在麦克马洪线以北的里东桥建地下厂房，安装2 7 台单机容量1 6 2 万 k w 的冲击式水轮发电机组。墨脱电站毛水头2 4 2 1 m ，装机容量4 3 8 0 万k w ，年发电量2 6 3 0 亿k w h ，这将是世界上最大的水电站。 ( b ) 沿河多级开发方案。初步规划沿大河弯建梯级水电站9 座：大渡卡坝式1 2 7 万k w ，日陇引水式3 5 2 万k w ，岗郎引水式2 0 2 0 万k w ：支流帕隆藏布江入水式1 4 0 0 万 k w ，八玉引水式2 5 9 万k w ，卡布坝式1 3 0 万k w ，解放桥坝式2 5 0 万k w ，希让坝式1 4 5 万k w ，日果引水式2 5 9 万k w 。共计利用水头2 7 0 3 m ，装机容量5 0 3 0 万k w ，年发电量3 0 1 8 亿k w h 。 图1 2 雅鲁藏布江上的大峡谷 f i g 1 - 21 1 1 eg o 瑁eo f y 酊u z 锄g b u j i 卸gr i v e r l l 广西大学硕士论文 墨脱水电站双钢衬钢筋混凝土压力管道分析研究 1 4 论文主要研究内容 随着西部大开发，及“西电东送”发展战略的实现，我国将兴建一批大型或巨型水 电站。其中有一部分是高水头、大容量的水电站，压力管道也日趋巨型乃至超巨型，随 之带来了很多问题，其中钢板的厚度大幅度的增加大大超过了现有的最大滚压能力，给 压力管道设计、制造、安装、焊接带来了很大的困难。常规的结构型式和设计方法已难 以满足要求。 我国目前最高水头的天湖电站，h = 1 0 7 4 m ，单机容量1 5 m w ，压力钢管直径1 o m ，壁 厚3 4 衄“；三峡水电站，h = 1 4 1 m ( 含水击压力) ，单机容量7 0 0 m w ，钢衬钢筋混凝土压力 管道壁厚3 6 衄“；而雅鲁藏布江上的墨脱水电站，毛水头达2 4 2 1 m ，单机容量达 1 6 0 0 m w “”，如管径取3 5 m ，使用6 0 k g f 哪2 钢材( 屈服强度为4 0 2 m p a ) ，压力钢管壁厚 将达1 9 0 衄以上；而国内外冷作钢板厚度一般情况下可达5 4 衄，最厚达6 5 唧，石油压 力管道经热处理壁厚可达3 0 0 唧，但是焊接难度相当大，而且是局部的。如采用屈服强 度达6 0 0 7 0 0 m p a 的高强度合金钢，利用钢衬钢筋混凝土压力管道这一结构型式，总厚 度也将达1 2 0 咖。 广西大学土木学院所做的工作： 1 1 9 8 8 1 9 9 2 年受广西电力设计院委托对岩滩水电站1 0 8 m 直