丰满水电站压力钢管三维有限元计算研究
姜树立
中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021
刘锋
中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021
伍鹤皋
武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072
胡蕾
武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072
丰满水电站压力钢管采用垫层式浅埋管，单机单管布置，后接坝后式厂房。压力钢管直径8.8m，最大水头70m，水击压力30m，单机引用流量390.23m3/s，管内流速6.42m/s。鉴于丰满水电站压力管道工程规模巨大，为了解该坝内垫层管在内水压力、地震等荷载作用下的应力应变分布、裂缝开展情况，需要对大坝和管道整体结构建立计算模型，利用三维非线性有限单元法进行计算分析，重点解决坝体、厂房与压力管道的变形协调问题。为了减少坝体混凝土拉应力、限制坝体混凝土裂缝宽度，同时降低坝体厂房不均匀沉降对钢管应力的影响，在钢管周围铺设了垫层，并通过比选确定了垫层的厚度、弹性模量和铺设范围。计算表明，采用垫层管过缝代替伸缩节、将厂坝分缝灌浆到钢管管底高程可以满足厂坝分缝处钢管和混凝土结构的受力及位移要求。
1 概述
丰满水电站位于吉林省吉林市的第二松花江干流上，控制流域面积为42500km2。水电站枢纽建筑物主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、左岸泄洪兼导流洞、坝后式引水发电系统、过鱼设施及利用的原三期电站组成。丰满工程为一等工程，工程规模为大（1）型。水库正常蓄水位263.50m，死水位242.00m，校核洪水位268.50m，总库容103.77亿m3。新建水电站安装6台单机容量为200MW的水轮发电机组，利用三期2台单机容量140MW的机组，总装机容量1480MW，多年平均发电量17.09亿kW·h。
丰满水电站引水建筑物布置在20～25号坝段，由进水口和压力管道两部分组成。进水口底板高程222.00m，沿水流方向依次布置拦污栅、检修闸门和事故闸门。电站采用单机单管引水形式，压力钢管直径8.8m，单机引用流量390.23m3/s，管内流速6.42m/s。压力钢管采用垫层式浅埋管，钢管斜管段与坝面平行，管顶外包混凝土最小厚度1.50m。大坝施工时采用预留钢管槽方案，预留槽宽度和深度均为11.8m，采用C30F200混凝土回填，管顶混凝土外缘与大坝下游面齐平。厂房采用坝后式厂房，机组安装高程190.04m，垫层式浅埋管和坝后厂房布置见图1。
2 坝内垫层管三维有限元分析
2.1 计算模型
计算模型：由进水口、拦污栅墩、坝体、钢管、垫层及地基所组成。整体模型网格见图2。
图1 垫层式浅埋管和坝后厂房布置（单位：m）
图2 整体模型网格图
2.2 计算工况与荷载组合
为了研究坝内垫层管与坝体之间的相互作用和应力变形规律，并对管道上弯段进行研究，同时分析温度荷载和地震对管道应力的影响，共进行了6个工况的计算，各工况对应的荷载组合见表1。
表1 垫层管计算工况和荷载组合
注 1.静水压力对应上游正常蓄水位，下游正常尾水位。
2.坝体变位作用主要由大坝自重、上下游水压力、扬压力、浪压力等引起。
2.3 坝内钢管垫层铺设范围拟定
为了减少坝体混凝土拉应力、限制坝体混凝土裂缝宽度，在斜直段坝内钢管周围铺设了垫层。根据垫层的铺设范围和参数，拟定了4个布置方案进行比较分析，计算荷载均对应于正常运行工况A-1。
方案1：厂坝分缝处采用垫层管代替伸缩节，垫层包角为360°，其总长为8.80m，自厂坝分缝处向上游铺设5.8m。钢管斜直段上半周与混凝土之间设垫层，垫层包角为220°。钢管下平段除厂坝分缝处8.80m为全包垫层外，其余管段均为包角为220°的垫层管。软垫层厚度为30mm，弹性模量3MPa。上弯段和下弯段钢管与混凝土之间均不设垫层，起到镇墩的作用。
方案2：除了钢管上弯段后半部铺设包角为220°的垫层外，其他垫层铺设范围、参数与方案一完全相同。
方案3：垫层铺设范围与方案2完全相同，垫层厚均为30mm，但垫层弹性模量降低为1.5MPa。
方案4：垫层铺设范围与方案2完全相同，垫层厚均为30mm，但垫层弹性模量降低为1MPa。
计算结果表明：在垫层弹性模量一致的条件下，方案1的管道周围混凝土应力较大，尤其是上弯段和斜直段管道顶部外包混凝土很薄，表面混凝土拉应力值最大达到1.909MPa左右，超过C30混凝土的设计抗拉强度。相比方案1，方案2的管道混凝土拉应力范围和数值都相对减小，斜直段表面混凝土拉应力值最大为1.233MPa左右。说明将垫层铺设到上弯段对减小混凝土拉应力有利。
对比方案2、方案3和方案4，在垫层铺设范围一致的条件下，随着垫层弹性模量的降低，混凝土拉应力的数值和范围都有明显的减小。对于方案4，垫层弹性模量减小到1MPa，管道外表面混凝土拉应力最大值仅为0.60MPa左右，方案3中管道外表面混凝土拉应力最大值为0.96MPa左右。虽然均未达到C30混凝土的设计抗拉强度，但是丰满水电站所在区域年平均温差较大，考虑到温降及温升荷载的作用，混凝土拉应力值应有一定程度的富余。
经过以上分析，采用方案四作为推荐方案，并进行了工况A-1～工况A-6的计算。
2.4 坝内垫层钢管计算成果分析
（1）在线弹性假定情况下，钢衬Mises应力在未设垫层的管段都很小，而设置了垫层的管段钢衬Mises应力明显增大。这说明垫层可以使钢管尽可能多的承受荷载，减少混凝土承担的拉应力，且各工况下钢衬Mises应力均小于其抗力限值。
（2）在正常运行工况下，管道腰部混凝土大部分为压应力或者较小的拉应力，而管道顶部和底部混凝土，内侧的混凝土拉应力相对较大，外侧的拉应力相对较小，绝大部分在混凝土的设计抗拉强度以下。在上弯段和下弯段未设垫层的部位，管道内侧出现较大的拉应力，但也在混凝土的标准抗拉强度以下，因此管道周围混凝土在正常运行工况下可能不会开裂。
（3）考虑温度荷载共同作用以后，管周混凝土拉应力数值有较大的增加，数值局部超过了混凝土的标准抗拉强度，因此，在下游坝面采取了保温隔热措施，铺设了保温板。根据铺设保温板后的计算成果来看，混凝土拉应力均在标准抗拉强度以下，有效地降低了混凝土温度应力，避免了产生温度裂缝。
（4）常规荷载作用下管坝接缝面剪应力数值大部分在0.3MPa以内。管坝接缝面底部法向应力除在温降组合工况出现了较小的拉应力外，基本为压应力；管坝接缝面两侧上半部分容易出现法向拉应力，可采取相应的工程措施，在管道底面采用台阶形施工缝，台阶高宽比与坝坡保持一致；两侧采用键槽；接缝面上布置插筋为上弯段Φ28＠300、斜直段Φ25＠500。
（5）地震荷载对主变平台以下埋入坝体混凝土内的管段影响较小，但上弯段、斜直段管腰混凝土拉应力有所增加，而且主变平台以上管段管坝接缝面底部产生了法向拉应力。
3 厂坝分缝处钢管过缝措施研究
3.1 方案拟定
在发电引水钢管穿过建筑物永久分缝处，为适应温度、水压力、沉陷等因素而产生的轴向及径向变位差，通常设置伸缩节。但大量的工程实践表明，设置伸缩节后，不仅工程造价提高，还带来很多伸缩节的制造、安装、维修等方面的麻烦，因此近年来很多工程都提出了采用垫层管代替厂坝间伸缩节的问题。由于取消厂前伸缩节后，压力管道通过纵向结构缝处的受力情况极为复杂，因此对其受力状态和强度安全，必须进行深入系统的研究，并采取合理可行的工程措施，确保结构安全。
厂坝过缝处的处理措施通常是待大坝与厂房自重沉降基本完成以后，再焊接垫层管的预留环缝，并将厂坝分缝灌浆到一定高程，或者不做分缝的灌浆处理，厂坝过缝处局部结构见图3。
图3 厂坝过缝处局部结构示意图
根据厂坝过缝处的灌浆高程，拟定了3种方案进行分析比较。
方案1：厂坝分缝处分缝至大坝建基面，大坝与厂房混凝土在分缝处完全分开，假定大坝与厂房是两个相互独立的结构，互不影响。
方案2：厂坝分缝处灌浆至管道底部，根据施工加载顺序，先分缝，待大坝建成且自重变形基本完成后，再进行灌浆。
方案3：厂坝分缝处灌浆至管道顶部，大坝与厂房通过灌浆完全连为一体，此种结构形式，考虑键槽的作用后，假定厂坝间既能传递水平推力又能承受剪力。
方案3保证了厂坝的整体性，对钢管的受力有利，但由于厂坝之间相互作用大，对厂房的变形影响较大，故在实际工程中该方案很少被采用，本节主要针对方案1和方案2进行计算比较分析。
3.2 计算工况与荷载组合
厂坝分缝处灌浆高程的选择，关键问题是灌浆之后的结构形式能否使厂坝分缝处大坝与厂房的相对位移满足要求，同时使钢管与混凝土结构的应力状态满足要求。计算分析时，对各工况进行荷载组合，共分成七个工况进行研究。钢管过缝措施研究计算方案与荷载组合见表2。
表2 钢管过缝措施研究计算方案与荷载组合
3.3 计算成果分析
通过对各种工况的位移和应力计算成果进行分析，可以得出以下结论。
（1）方案1厂坝分缝处水流向和铅直向位移均大于方案2；从对厂房整体变形有利的角度来讲，方案2较为有利；各工况下方案1厂坝分缝处钢管Mises应力基本大于方案3；从改善分缝处混凝土受力状态角度来讲，方案2也较为有利。
（2）无论是在常规荷载作用下还是在地震荷载作用下，适当提高厂坝分缝处灌浆高程可以减小垫层管、机墩和下机架的相对位移，改善分缝处钢管和混凝土结构的受力状态。因此，综合比较厂坝分缝处的施工条件、技术经济特点后推荐厂坝分缝处过缝措施采用方案2。
（3）在厂坝分缝处上游侧长为5.8m，下游侧长为3m的管段设置垫层以代替伸缩节，垫层厚为30mm，弹性模量1MPa，技术上是可行的。为了保证垫层管段可自由伸缩，且能适应微量径向变位，对施工工艺也有特殊要求。首先，垫层管段不能设加劲环或锚筋，施工时采用特制的支架支撑钢管，使其不与钢管相焊；其次，垫层管段两端应该设止浆环，防止浆液流到垫层管段，并布置管外排水。
（4）为了尽量减小厂坝不均匀沉陷和施工期温度荷载对钢管应力的影响，在厂坝分缝管段预留一个环缝，等到大坝厂房沉陷和水化热温升基本完成后，再施焊将钢管连接在一起。为避免施焊预留环缝所产生的轴向拉应力，与年内温降过程的收缩变位所产生的轴向拉应力不利地叠加，应该选择在年平均气温或比年平均气温稍微偏低一点的季节施焊。
4 结语
（1）本工程采用垫层管过缝代替伸缩节、将厂坝分缝灌浆到钢管管底高程可以满足厂坝分缝处钢管和混凝土结构的受力及位移要求。
（2）垫层可以使坝内钢管尽可能多的承受荷载，减少混凝土承担的拉应力，且各工况下钢衬Mises应力均小于其抗力限值。
（3）在坝下游坝面铺设保温板，能有效降低混凝土温度应力，避免下游坝面产生温度裂缝。
（4）常规荷载作用下管坝接缝面剪应力和法向应力数值大部分都较小，但在接缝面两侧上半部分容易出现法向拉应力；地震荷载使上弯段、斜直段管腰混凝土拉应力也有所增加，因此需要加强管坝混凝土的连接，比如设键槽、插筋。
参考文献
［1］DL/T 5141—2001水电站压力钢管设计规范［S］.北京：中国电力出版社，2002.
［2］DL 5073—2000水工建筑物抗震设计规范［S］.北京：中国电力出版社，2000.
［3］DL/T 5057—2009水工混凝土抗震设计规范［S］.北京：中国电力出版社，2009.
［4］DL 5077—97水工建筑物荷载设计规范［S］.北京：中国电力出版社，1998.
［5］DL 5018—1999混凝土重力坝设计规范［S］.北京：中国电力出版社，2000.