紫坪铺水利枢纽工程发电引水系统取消伸缩节的可行性分析

紫坪铺水利枢纽工程发电引水系统取消伸缩节的可行性分析

在典型的水库后坝水库中，水库和主水库的高度不同，库中两个部分的沉降也不同。此外，在温度和其他负荷的作用下，水库连接附近容易集中和破坏。为此,一般在主副厂房之间设有永久纵向缝,并在引水系统上设置伸缩节,以适应地基不均匀沉陷和温度变化。但大量的工程实践表明,设置伸缩节后,不仅使工程造价提高,也给制造、安装、维修等带来很多麻烦,因此近年来很多工程都提出了取消厂坝间伸缩节的问题。取消厂坝间的钢管伸缩节,国内外均有先例。如法国的坚西亚水电站、前苏联契尔盖水电站、委内瑞拉古瑞水电站(管径10.5m),均取消了厂坝间伸缩节。国内大中型水电站压力管道取消伸缩节的工程有盐锅峡、石泉、池潭、安康、李家峡、公伯峡等。本文以紫坪铺水利枢纽工程为例,进一步论证了取消伸缩节的可行性和经济性。1垫层厚度的确定紫坪铺水利枢纽工程位于四川省都江堰市西北,距都江堰市约9km的岷江上。电站总装机容量为76万kW,4台机单机容量19万kW,单机额定引用流量214m3/s。电站引水系统布置在右岸条形山脊,采用单机单洞布置,出洞后经过一段回填式钢衬钢筋混凝土管道,再进入地面式厂房。在正常运行工况下机组甩全负荷时,蜗壳进口断面处最大内水压力(含水击压力)为180m。根据紫坪铺水利枢纽工程发电引水系统和厂房布置的具体情况,四川省水利水电勘测设计研究院提出了取消厂前伸缩节的设想。具体措施是在主厂房上游永久分缝处钢管外周设置一定厚度的软垫层,以适应地基不均匀沉陷和温度变化。垫层管由2～3节钢管组成,节间预留2cm宽的环缝,环缝外侧设套环垫板。在垫层管外壁用垫层材料包裹,用以适应施工期主副厂房分缝的不均匀变位和按设计比例外传内水压力。垫层管安装时采用特殊支架,以保证在运行期垫层管可在轴向和径向有微小移动。在充水前将垫层管预留的环缝施焊,此后分缝处不均匀变位、内水压力及温度变化等荷载,则由垫层管直接承受。要将主副厂房不均匀变位特别是轴向压缩钢管所引起的内力限制在一定范围内,垫层管需要有一定的长度,经综合考虑,将垫层管长度初步定为7～12m,以进行方案比较。垫层管段按钢管和外围混凝土各承担总内水压力的75%和25%进行设计。其中钢管承担的内水压力由两部分组成,第一部分为填满垫层塑性产生的间隙L残时所对应的内水压力,第二部分为垫层实际工作时钢管与混凝土联合作用情况下钢管分担的内水压力。根据变位相容条件,可以推导出所需要的垫层厚度为:t=r2EyTrδsEs[(1−Φ)(1−Tr)+ΦEy/P](1)t=r2EyΤrδsEs[(1-Φ)(1-Τr)+ΦEy/Ρ](1)式中t——垫层厚度,mm;Ey——弹模,MPa;δs——钢管厚度,mm;Es——弹模,MPa;r——钢管内径,mm;Φ——垫层残余应变;Tr——钢管承担设计内水压力的比例;P——设计内水压力,MPa。将Ey=3.75MPa、δs=32mm(扣除2mm锈蚀厚度)、Es=206GPa、r=0.3万mm、Φ=0.1、Tr=0.75、P=1.8MPa代入式(1),可以算得垫层厚度t=9.5mm,因此垫层厚度选10mm即可。综上所述,发电引水系统压力钢管进厂前(回填管段)管壁厚度取26mm,蜗壳进口段管壁厚度取36mm,垫层管段钢管壁厚取32mm,垫层厚度为10mm,弹性模量为3.75MPa,垫层管长度取7～12m,据此进行有限元分析。2计算方案和模型2.1各方案对紫坪铺三种洪水系统取消拉伸节的影响为了研究不同气温、水温以及地质条件对管道应力的影响,使紫坪铺水电站发电引水系统取消伸缩节的论证更加完善,共进行了7个方案的计算,各方案对应的计算条件、荷载组合和温度边界见表1、表2。2.2垫层及钢管单元的数值模拟计算模型:由回填管段、主变平台、GIS室基础、主厂房及地基所组成。共分成混凝土、地基、钢管及垫层4组单元。计算时,混凝土、地基、垫层绝大部分采用八结点等参单元,少量采用三棱柱单元,以方便单元过渡;钢管采用板壳单元模拟,计算模型如图1所示。边界条件:在计算中,基岩的上、下游端面和左、右两侧及底部按法向连杆模拟,回填管上游端面也按法向连杆模拟,主厂房和上游GIS室其他表面按自由边界考虑。坐标系:原点取在机组中心安装高程处;X轴沿水平向,指向左边(面向下游)为正;Y轴沿铅垂向,向上为正;Z轴亦为水平向,指向下游为正。3计算与成就分析3.1垫层管长度对预应力的影响取消伸缩节方案B-1、B-2、B-3,在常规荷载作用下,主厂房上游分缝处两侧相对位移都较小,最大轴向相对位移0.23mm,径向相对位移0.16mm,均远低于伸缩节的设计变形量(轴向30mm,径向5mm)。3个方案垫层管的位移和分缝两侧的相对位移均很接近,说明垫层管长度在7～12m内对分缝两侧结构的相对变位影响不大,3种垫层管长度均可以满足结构要求。在弹模为定值3.75MPa的情况下,改变垫层管长度,将分缝处上游断面0°、90°、180°和270°4个点的钢衬应力和混凝土应力值列于表3。计算结果表明,设垫层部位钢管应力较大,最大Mises应力均在166MPa左右,小于16Mn钢材的抗力限值σR(190MPa),其他部位钢管应力均较低。说明在常规荷载作用下,本工程取消伸缩节而代之以垫层管是完全可行的。从应力水平来看,无论采用哪种垫层管长度(15.5m,12.7m、10.2m、7.7m),对分缝处钢管和混凝土应力的影响不大,均可以满足要求。因此从经济的角度,垫层管长度宜尽量取小值;但考虑到紫坪铺水利枢纽GIS室基础底板较薄,为了避免该部位混凝土开裂,可根据实际情况取垫层管长度为12.7m。3.2垫层阶段钢模应力影响在垫层管长度为定值12.7m的情况下,采用不同垫层弹模进行计算,将分缝处上游断面0°、90°、180°和270°4个点的钢衬应力和混凝土应力值整理,如图2、3所示。从图2、3中可以看出,当垫层弹模变小以后,钢管应力随之增大,但一般都在140MPa以内。当垫层弹模减小到2MPa时,设垫层部位钢管最大Mises应力在203MPa左右,略大于16Mn钢材的抗力限值σR(190MPa)。另外,当垫层弹模为3.75MPa时,钢管外围混凝土最大拉应力约为1.15MPa,低于C25混凝土的设计抗拉强度1.3MPa,混凝土可能不裂;但当垫层弹模大于3.75MPa时,混凝土最大拉应力将超过C25混凝土的设计抗拉强度,从而在混凝土中形成裂缝。说明在常规荷载作用下,本工程取消伸缩节后,垫层管段的垫层弹模宜在2.00～3.75MPa选取,以保证钢管和混凝土应力均可满足设计要求。3.3垫层钢管抗力限值在常规荷载和温升荷载作用下(方案B-5),垫层管处钢管应力比常规荷载作用下的应力有一定的增长,钢管最大Mises应力由方案B-1的166MPa增加到方案B-5的177MPa,仍然小于垫层管对应的钢材抗力限值σR(190MPa),这说明在常规荷载和温升荷载作用下,主厂房上游分缝处垫层钢管厚度采用32mm基本上可以满足结构强度要求。在常规荷载和温降荷载作用下(方案B-6),除个别点钢管应力比常规荷载作用下的应力有一定增长外,大部分点钢管应力有所下降。钢管最大Mises应力为170MPa,也小于垫层管对应的钢材抗力限值σR(190MPa),这说明在常规荷载和温降荷载作用下,主厂房上游分缝处垫层钢管厚度采用32mm也基本上可以满足结构强度要求。4伸缩节设置必要性有限元分析计算表明,紫坪铺水利枢纽电站主厂房上游侧分缝处设伸缩节后,在常规荷载作用下分缝两侧的相对位