蒲石河抽水蓄能电站地下钢筋混凝土岔管结构厚度的选择与有限元分

1、结 构 厚 度 的 选 择 与 有 限 元 分 析邓柏旺 1,黄丽伟 1,袁晓宇 2(1. 河海大学水电院 南京 210098;2. 上海市水利建设工程质量监督中心站 上海 200232摘 要 应用三维弹塑性有限元数值计算方法,分析了蒲石河抽水蓄能电站地下引水高压钢 筋混凝土岔管在施工开挖、充水运行与放空检修工况下,围岩、衬砌、钢筋的应力与变形。 通过分析计算结果得出衬砌厚度的合理取值,并对衬砌的配筋及最大裂缝宽度进行探讨。 关键词 岔管 围岩 衬砌 有限元在抽水蓄能电站工程中, 经常应用两台机组合用一条主管, 主管由岔管分为两条等管径 支管与机组相连。 地下岔管结构的体形和受力都较为复杂,

2、进一步研究其设计特点、 计算规 律和岔管的工作性态, 并将其用于解决工程实际问题, 对于促进我国现代化建设有重要意义。 本文应用三维弹塑性有限元数值分析方法, 对辽宁蒲石河抽水蓄能电站引水隧洞的高压 钢筋混凝土岔管在施工开挖、 充水运行以及放空检修三种工况下进行了计算, 按面力荷载和 渗透体力荷载分别对各种工况下岔管衬砌的应力、 位移数据进行了分析, 提出了合理的衬砌 厚度和相应的工程建议, 并对衬砌的配筋及最大裂缝宽度进行了探讨, 为岔管结构的合理设 计提供了可靠的依据。1基本资料1.1工程概况蒲石河抽水蓄能电站, 是我国东北拟建中的第一座大型纯抽水蓄能电站, 该电站位于辽 宁省宽甸满族自治

3、县境内,距丹东市约 60km ,电站总装机容量为 1200MW ,单机容量为 300MW ,共 4台机组。电站建成后将在东北电网中担任调峰、填谷、调频和事故备用。 该电站的输水系统中的发电引水系统采用二洞四机布置, 两条主洞直径 8.1m , 4条支洞 直径 5.0m 。 发电引水岔管段全部位于新鲜混合花岗岩内,岩体覆盖厚度 280mm ,水平段 在岔管前有 F4、 F3、 F11三条主要断层,交角均与洞轴近于垂直。岩石完整坚硬,属类 围岩,由国家地震局地壳应力研究所进行了水力劈裂试验结果,最小水平主应力为 4.88MPa 9.24MPa ,沿深度方向逐渐增加,无明显应力集中现象。- 1 -表

4、 1-1 岩体及衬砌材料物理力学参数材 料 弹性模量 /GPa弹性抗力 系数 /GPa*m-1抗压 强度 /MPa抗拉 强度 /MPa泊松 比内摩 擦角 /°粘结力 /MPa容重 /kg*m30.72650混 凝 土 C25 0.16724001.3计算荷载根据甲方提供的资料,有限元计算中主要包括以下荷载: (1自重 G ,根据材料容重由程序自动计算; (2回填灌浆压力 0.4MPa ;(3正常工作情况最高内水压力 H1;取 470m 水头(含水击压力; (4检修情况外水压力 H2 。根据地下水位线及岔管埋深确定。引水岔管及尾水岔管最大外水压力均取 280m 水头。 一般在考虑围岩渗

5、流摩阻损失后应对外水压力予以折减作为设计外水压力, 根据 水工隧洞 设计规范 (DL/T 5195-2004 , 二类围岩取折减系数为 0.4, 即设计外水压力为 112 m水头。根据水工建筑物荷载设计规范(DL 5077-1997 , 荷载标准值计算时,各荷载作用 系数分别为自重取 1.0,围岩地应力取 1.0,静水压取 1.0,水击压力取 1.1,脉动压力取 1.3, 地下静水压取 1.0, 校核洪水位下的偶然作用静水压取 1.0。 进行岔管衬砌承载能力极限状态 计算时,设计状况系数 持久状况取为 1.0,短暂状况取 0.95;结构重要性系数 0取为 1.1;结构系数d 取为 1.2;荷载

6、分项系数可变荷载取 1.2,永久荷载取 1.05,可控制可变荷载取1.1。正常使用极限状态验算时,除0不变外,其余系数均取为 1.0。1.4计算工况和方案本工程衬砌厚度按 0.6m 、 0.8m 、 1.0m 厚度进行分析计算。 1. 工况一:隧洞开挖直到衬砌完工(1荷载组合:地应力 +围岩开挖释放的荷载 +支护抗力+衬砌自重 +回填灌浆压 力 +渗透力 (2计算方案:- 2 -初始地应力(0级加载 + 2条引水洞开挖(第一级加载 +引水洞衬砌、渗透力(第二 级加载。 2方案二:考虑全断面开挖并同时进行锚固支护的方案。非线性计算加载顺序为:初始地应力(0级加载 + 2条引水洞开挖并支护(第一级

7、加载 +引水洞衬砌、渗透力 (第二、三级加载。引水洞衬砌渗透力假设按面力作用于衬砌外表面计算, 渗透体力取 1.12MPa 。 由于围岩 的总位移随开挖洞径的加大而增大,因此只需对最大开挖洞径(对应衬砌厚度为 1.0m 最 不利情况, 进行围岩稳定分析。 本次计算不进行锚杆支护时机的研究, 加衬砌时假设围岩变 形完成。2. 工况二:充水正常运行工况(1荷载组合:地应力 +围岩开挖释放荷载 +支护抗力+衬砌自重 +内水压力(2计算方案: 1面力荷载方案; 2渗透体力方案3. 工况三:放空检修工况(1荷载组合:地应力 +围岩开挖释放荷载 +支护抗力+衬砌自重 +回填灌浆压力 +设计 外水压力(2计

8、算方案: 1面力荷载方案; 2渗透体力方案其中面力荷载方案考虑全断面不加锚杆和主支管交角管径渐变段局部加锚杆情况。 2计算方法和模型2.1计算方法本次计算采用国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一的 ABAQUS 软件,它 具有强健的计算功能和广泛的模拟性能, 拥有大量不同种类的单元模型、 材料模型和分析过 程等。 无论是分析一个简单的线弹性问题, 还是一个包括几种不同材料、 承受复杂的机械和 热荷载过程、 具有变化的接触条件的非线性组合问题, 应用该软件计算分析都会得到令人满 意的结果。2.2计算模型模型采用笛卡儿直角坐标系, X 轴与岔管的轴线一致, 指向上游为正; 沿铅垂向为 Z

9、轴, 向上为正;Y 轴以右手法则确定;坐标原点位于 2号支管与主管交点底部。考虑到主管的直 径为 10.5m, 故在沿高程 Z 方向, 以岔管为对称平面正负各取 105.0m 左右; X 正方向取 150m, 负方向模型边界平行于支管轴中心线,Y 正向侧取 86m,Y 负向侧取 188m;Z 正方向取 80m, 负方向取 97m。 单元采用六面体八结点等参单元。 整个计算模型共包括 109794个结点, 103186个单元,三维整体网格见图 2-1,岔管单元网格剖分见图 2-2。侧面及底面施加法向连杆约 - 3 -表 3-2 工况三各衬砌厚度衬砌应力、变形计算值主 管支 管岔 管加载方式 衬砌

10、厚度 3/Mpa /mm 3/Mpa /mm 31.0m-0.00-3.560.55-0.13-3.180.340.85-4.531.414衬砌配筋及裂缝估算本次计算衬砌配筋是在工况二、 工况三计算所得的应力基础上, 通过积分计算岔管主管、 岔 角和支管各断面的轴力和弯距,按水工混凝土结构设计规范 (DL/T 5057-1996估算衬 砌裂缝宽度和钢筋应力。工况三按面力计算考虑锚杆作用,其余计算工况不考虑锚杆作用。 计算结果见表 4-1、4-2,各断面裂缝宽度均满足规范 0.25mm 的要求。表 4-1 工况二各厚度衬砌环向钢筋应力与裂缝宽度面力作用形式渗透力作用形式 实际对称配筋衬砌厚度 截

11、面轴力/kN 弯矩 /kN*m 内侧钢 筋 /mm2.m -1外侧钢 筋 /mm2.m -1轴力 /kN 弯矩 /kN*m内侧钢 筋 /mm2.m -1外侧钢 筋 /mm2.m -12714.20165.2878426026903.6056.802620199625150181.0450.246- 6 -(5对围岩在衬砌之前建议按大于 1倍内水压力进行水泥固结灌浆,由于引水段所处 为二类围岩, 岩石性能较好, 应通过灌浆试验了解其可灌性再决定是否要进行高压水泥固结 灌浆,如果可灌性差,就不必作固结灌浆,只要做好回填灌浆。建议只在岔角及断层附近打 锚杆支护,特别是岔角的锐角区,可适当加密锚杆间距

12、;断层做好固结灌浆,灌浆压力达到 一倍内水压力以上。3.2工况二衬砌结构分析(1引水岔管在正常运行工况条件下,按面力荷载计算,其内管壁位移值指向管外, 大小在 1.3mm 内。 衬砌厚度分别为 0.6m、 0.8m、 1.0m 时, 对应的最大位移值分别为 0.69mm、 0.68mm、0.66mm,对应的应力分别为 4.65MPa、5.07 MPa、5.44 MPa,是各衬砌厚度对应的 最大第一主应力。说明在面力荷载作用下,衬砌越厚刚度越大,变形越小,应力越小。 (2引水岔管在正常运行工况条件下,按渗透体力荷载计算,衬砌厚度分别为 0.6m, 0.8m,1.0m 时,对应的最大位移值分别为 0.09mm,0.12mm,0.13mm,对应的应力分别为 0.83MPa、1.04 MPa、1.22 MPa,也是各衬砌厚度对应的最大第一主应力。说明在渗透体力 荷载作用下,衬砌越厚承受的水荷载比例越大。表 3-1 工况二各衬砌厚度衬砌应力、变形计算值主 管 支 管 岔 管加载方式衬砌 厚度 3/Mpa/mm3/Mpa/mm3/Mpa/mm(1引水岔管在检修工况条件下,在外水压力作用下,岔管的岔角处顶板变形较大, 当衬砌厚度为 0.6m、 0.8m、 1.0m 时, 该处内管壁最大位移分别为 7.23mm、 4.81mm、 3.58mm, 并分别出现了-22.04MPa,-17.