韓曉卉,俞 丹

(中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310014)

1 工程概況[1]

景洪水電站是瀾滄江中下游河段水電開發(fā)規(guī)劃 “兩庫八級(jí)”中的第6級(jí)電站,位于云南省西雙版納傣族自治州首府景洪市上游,距景洪市約5 km。景洪水電站的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主,并兼有航運(yùn)、防洪、旅游、庫區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用效益。電站采用堤壩式開發(fā),主要建筑物包括攔河壩、泄洪沖沙建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電廠房、垂直升船機(jī)等。

景洪水電站水庫正常蓄水位602 m,死水位591 m,校核洪水位609.4 m,總庫容11.39億m3,其中調(diào)節(jié)庫容為3.09億m3,具有周調(diào)節(jié)能力。電站安裝5臺(tái)單機(jī)容量為350 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量為1 750 MW。

目前,除升船機(jī)部分外,其余各主要建筑物的建設(shè)均已接近尾聲。

2 壓力鋼管結(jié)構(gòu)布置

景洪水電站是河床壩后式電站,水頭低流量大,共裝5臺(tái)35萬kW機(jī)組,采用單機(jī)單管供水。鋼管內(nèi)徑11.2 m,單機(jī)額定流量為665.56 m3/s,管內(nèi)平均流速6.76 m/s。鋼管布置型式為下游壩面背管。鋼管中心起點(diǎn)樁號(hào)D0+019.752m,高程568.237 m,終點(diǎn)樁號(hào)D0+075.000 m,高程531.200 m,水平長度為55.248 m,豎向高度37.037 m,布置空間狹窄。鋼管道總長為71.391 m。鋼管道包括上彎段、斜直段、下彎段以及后水平段,上、下彎段轉(zhuǎn)彎半徑均按2倍管徑,斜直段坡度為1∶0.65,采用1/2背管,鋼管中心線位于壩下游坡面上,坡面外半管外包1.8 m厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型式。下水平段鋼管過廠壩分縫處取消了伸縮節(jié),采用鋼管外包彈性墊層過縫措施[2]。

3 壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3-4]

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

景洪水電站壓力鋼管為1級(jí)結(jié)構(gòu),按明管進(jìn)行鋼管強(qiáng)度和抗外壓設(shè)計(jì),遵照DL/T 5141—2001《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定和公式進(jìn)行計(jì)算。廠房壩段沿引水道中心剖面見圖1。

圖1 廠房壩段沿引水道中心剖面圖

鋼管管節(jié)依據(jù)板材訂貨情況,按照盡可能減少材料浪費(fèi)的原則劃分,共分46個(gè)管節(jié)。除湊合節(jié)外,彎管段外弦最大長度小于2 m,但趨于2 m,直段管節(jié)長度均為2 m。

內(nèi)水壓力按1臺(tái)機(jī)組甩全負(fù)荷工況控制,機(jī)組甩全負(fù)荷時(shí),蝸殼進(jìn)口斷面處最大水擊壓力值按最大凈水頭的30%確定,最大凈水頭為70.8 m。

外壓穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)墊層管管壁取2.0,加勁環(huán)間管壁和加勁環(huán)取1.8,按管道放空檢修和施工灌漿2種工況考慮。管道放空檢修外壓按0.1 MPa,施工灌漿外壓按0.2 MPa控制。下彎段以前鋼管抗外壓穩(wěn)定根據(jù)內(nèi)壓計(jì)算確定的管壁厚度,按光面管計(jì)算,如果不滿足要求,再分別計(jì)算加勁環(huán)間管壁及加勁環(huán)的臨界外壓。由于采用外包墊層代替伸縮節(jié),下彎段以后的水平段抗外壓穩(wěn)定按光面管進(jìn)行外壓穩(wěn)定復(fù)核。

3.2 鋼管結(jié)構(gòu)計(jì)算成果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,壓力鋼管采用16MnR鋼,管壁厚度24～36mm,為了保證鋼管有足夠的鋼度,使其在吊裝、運(yùn)輸及安裝過程中不致于產(chǎn)生過大的變形,在除下水平段外包墊層管節(jié)外的所有管節(jié)上都加設(shè)了間距2 000 mm,高200 mm,厚24 mm的加勁環(huán)。

3.3 背管段應(yīng)力計(jì)算

將鋼管截面簡化為軸對(duì)稱厚壁圓環(huán),內(nèi)外層鋼筋折算為等受力面積鋼環(huán),則簡化后的鋼管結(jié)構(gòu)由3層鋼環(huán)和3層混凝土環(huán)組成。計(jì)算時(shí)假定混凝土徑向開裂,且沿圓周均勻分布,混凝土不再承受切向應(yīng)力而只能傳遞徑向壓應(yīng)力。忽略混凝土的徑向變位,根據(jù)鋼襯及2層折算鋼環(huán)的變位相容條件,計(jì)算得鋼襯最大應(yīng)力126.484 MPa,內(nèi)層鋼筋最大應(yīng)力124.298 MPa,外層鋼筋最大應(yīng)力97.049 MPa,內(nèi)層混凝土最大裂縫寬度0.303 mm,外層混凝土最大裂縫寬度0.237 mm。

3.4 墊層管結(jié)構(gòu)分析

因壓力鋼管安裝與壩體混凝土澆筑同步進(jìn)行,為使鋼管與壩體變位能相互協(xié)調(diào)并提高鋼管適應(yīng)廠壩間不均勻變位的能力,同時(shí)減少施工難度和周期,并降低工程投資,經(jīng)過大量研究分析及國內(nèi)外的工程實(shí)踐類比,景洪水電站過縫段采用360°墊層管取代了常規(guī)設(shè)計(jì)中的伸縮節(jié)。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。經(jīng)綜合比選,墊層材料選用彈模2.0 MPa的聚苯乙烯泡沫板。為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),經(jīng)綜合考慮,將墊層管長度定為管道直徑的0.9倍左右,共由6個(gè)半管節(jié)組成,總長10.085 m。過縫處預(yù)留2 cm寬的環(huán)縫,環(huán)縫外側(cè)設(shè)寬400 mm,厚20mm的加強(qiáng)板,并要求過廠壩縫在水庫蓄水后再封焊。同時(shí)為了焊接時(shí)保護(hù)軟墊層不被燒壞,在加強(qiáng)板外層增設(shè)了3 mm厚的石棉板。

為了解過廠壩縫墊層管在內(nèi)水壓力、地震等荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變分布、裂縫開展情況,為工程設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù),達(dá)到安全、施工方便和經(jīng)濟(jì)的目的,對(duì)墊層管段進(jìn)行了三維有限元分析計(jì)算。

計(jì)算采用ANSYS三維有限元計(jì)算程序,計(jì)算模型由進(jìn)水口攔污柵墩、壓力管道、管道壩段、實(shí)體壩段、廠房及地基所組成,共分成7個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算,分別為自重、單純水壓、單純溫降、單純溫升、正常運(yùn)行 (自重+水壓)、溫降組合 (自重+水壓+溫降)和溫升組合(自重+水壓+溫升)。此外,還增加了單獨(dú)地震、地震組合 (自重+水壓+地震)2個(gè)工況,以更系統(tǒng)地研究墊層管的可行性。

從計(jì)算結(jié)果來看,在各種荷載組合情況下,結(jié)構(gòu)的豎向相對(duì)位移Uy一般大于其它2個(gè)水平向的相對(duì)位移。墊層管兩端的豎向相對(duì)位移和水平向相對(duì)位移分別在5.40 mm和1.21mm以內(nèi);廠壩分縫兩側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的豎向相對(duì)位移和水平向相對(duì)位移分別在4.22 mm和0.82 mm以內(nèi)。由廠壩的位移值來看,相對(duì)位移都不大,可以采用墊層管協(xié)調(diào)兩側(cè)不均勻位移,使結(jié)構(gòu)能夠滿足變形的要求。各工況下,鋼管Mises應(yīng)力都在規(guī)范限值范圍以內(nèi),最大鋼襯應(yīng)力為134.54 MPa,發(fā)生在地震組合工況的縫下游側(cè)斷面的180°位置。與其它工況相比,溫降組合工況和溫升組合工況作用下,鋼材的Mises應(yīng)力偏大一些。同一工況中,廠壩分縫兩側(cè)附近的鋼管Mises應(yīng)力比其它幾個(gè)斷面數(shù)值大,而同一斷面中,管側(cè) (0°和180°)的應(yīng)力值比管頂 (90°)和管底(270°)部位的應(yīng)力大。在各種荷載組合情況下,伸縮管兩端的豎向相對(duì)位移和水平向相對(duì)位移分別在5.22 mm和1.23mm以內(nèi);廠壩分縫兩側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的豎向相對(duì)位移和水平向相對(duì)位移分別在0.48 mm和0.23 mm以內(nèi)。3#壓力鋼管地震工況下應(yīng)力云圖見圖2。

圖2 3#壓力鋼管地震工況下應(yīng)力云圖 單位:MPa

4 幾個(gè)問題的研究

4.1 背管段預(yù)留槽設(shè)計(jì)

為了減少鋼管施工對(duì)大壩整體施工的干擾,在壩下游面設(shè)置鋼管槽,后于壩體施工。考慮到鋼管管周混凝土厚度較薄,為防止管周混凝土開裂延伸至兩側(cè)的壩體混凝土內(nèi),在鋼管預(yù)留槽兩側(cè)鋪設(shè)了彈性墊層,將管周混凝土和大壩主體隔開。

在鋼管投入運(yùn)行使用后,受水壓力等荷載作用,除管道產(chǎn)生軸向應(yīng)力外,還會(huì)產(chǎn)生管道和壩面之間的剪應(yīng)力和正應(yīng)力。為保證壩下游面管道與壩體不至于因此脫開,經(jīng)結(jié)構(gòu)分析,在管道與壩體的一、二期混凝土接縫面上設(shè)法向鋼筋,鋼筋垂直管軸線布置,同時(shí)要求一、二期混凝土界面除兩側(cè)墊層范圍外均設(shè)插筋并打毛處理,以提高一、二期混凝土的層間結(jié)合。鋼管槽兩側(cè)的壩體混凝土外層設(shè)1層限裂鋼筋,以限制壩體混凝土因溫度變化可能出現(xiàn)的開裂。

4.2 墊層管接頭設(shè)計(jì)

由于墊層的存在,墊層始、末端管壁和混凝土?xí)霈F(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象,為減少應(yīng)力集中,使其局部應(yīng)力不致成為鋼管的控制應(yīng)力,將墊層始末端位置厚度從30 mm按階梯形漸變至10 mm。

4.3 過廠壩縫的處理

工程建筑物地基為燕山早期侵入的閃長巖體,其弱、微風(fēng)化巖塊強(qiáng)度高,但各級(jí)結(jié)構(gòu)面發(fā)育,巖體完整性較差,并有輕微的蝕變。為提高抗滑穩(wěn)定安全度,減少廠壩間不均勻變形,對(duì)建基面上主要擠壓帶、斷層分布區(qū)域的巖體進(jìn)行加深開挖置換混凝土處理,對(duì)普通建基面附近巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。此外,將廠壩縫EL543.70 m以下區(qū)域按施工縫處理,設(shè)置鍵槽并進(jìn)行接縫灌漿,使大壩和廠房連成整體,聯(lián)合受力。

為盡量減小廠壩不均勻沉陷和施工期溫度荷載對(duì)伸縮管應(yīng)力的影響,在伸縮管段預(yù)留的環(huán)縫,應(yīng)等到大壩、廠房沉降和水化熱溫升基本完成后,再施焊將鋼管連接在一起。為避免施焊預(yù)留環(huán)縫所產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力,與年內(nèi)溫降過程的收縮變位所產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力疊加產(chǎn)生不利影響,應(yīng)選擇在年平均氣溫或比年平均氣溫略偏低的季節(jié)施焊比較合適。由于景洪工程采用廠壩聯(lián)合受力,鋼管應(yīng)力對(duì)于鋼管環(huán)縫焊接時(shí)間受廠壩變形約束較小,受溫度影響較大,考慮到工程的實(shí)際施工情況,預(yù)留環(huán)縫選在年平均氣溫略偏低的2007年12月至2008年2月施焊。

5 結(jié) 語

景洪水電站壓力鋼管采用了墊層管穿過廠壩縫方案,并在廠、壩分縫處設(shè)鍵槽和接縫灌漿,以盡可能減少分縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)相對(duì)位移。經(jīng)分析墊層管段鋼襯的應(yīng)力能夠滿足鋼材抗力限值的要求,是切實(shí)可行的管道過縫措施,可避免采用伸縮節(jié)方案帶來的一系列技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題,有效地降低了施工難度,縮短了建設(shè)周期,節(jié)省了設(shè)置大型伸縮節(jié)的費(fèi)用,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]秦繼章,匡會(huì)健,伍鶴皋,等.景洪水電站發(fā)電壓力管道仿真材料結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究 [J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào),1998,31(5):17-21.

[2]馬善定.混凝土壩下游壩面壓力管道在內(nèi)水壓力作用下的應(yīng)力分析 [J].水利學(xué)報(bào),1987(7):21-28.

[3]水電站壩內(nèi)埋管設(shè)計(jì)手冊(cè)及圖集編寫組.水電站壩內(nèi)埋管設(shè)計(jì)手冊(cè)及圖集 [M].北京:水利電力出版社,1988.

[4]秦繼章,馬善定.重力壩下游面壓力管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào),1993,26(1):33-37.