劉 鋒,石亮亮,周榮磊,張子奇

(中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長春 130021)

豐滿水電站重建工程壓力鋼管過縫措施研究

劉 鋒,石亮亮,周榮磊,張子奇

(中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長春 130021)

豐滿水電站壓力鋼管采用墊層式淺埋管,后接壩后式廠房.由于大壩和廠房高度不相同,兩部分地基的沉陷也不同,另外在溫度等荷載作用下,很容易在廠壩連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中和破壞.由于設(shè)置伸縮節(jié)不僅提高了工程造價(jià),也給伸縮節(jié)的制安、維修等帶來很多麻煩.因此該工程提出了取消伸縮節(jié),而采用墊層管過縫的結(jié)構(gòu)形式.文中主要研究采用墊層管過縫時(shí),廠壩分縫處兩側(cè)相對位移能否滿足要求,鋼管與混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)能否滿足要求.

墊層式淺埋管;三維有限元;鋼管過縫措施;豐滿水電站

1 概述

豐滿水電站位于吉林省吉林市的第二松花江干流上.電站樞紐建筑物主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪系統(tǒng)、壩后式引水發(fā)電系統(tǒng)及利用的原三期電站組成.

豐滿水電站引水建筑物布置在20～25號壩段,電站采用單機(jī)單管引水形式,壓力鋼管直徑8.8 m,單機(jī)引用流量390.23 m3/s,管內(nèi)流速6.42 m/s.壓力鋼管采用墊層式淺埋管,鋼管斜管段與壩面平行,管頂外包混凝土最小厚度1.50 m.大壩施工時(shí)采用預(yù)留鋼管槽方案,預(yù)留槽寬度和深度均為11.8 m,采用C30F200混凝土回填,管頂混凝土外緣與大壩下游面齊平.廠房采用壩后式廠房,機(jī)組安裝高程187.00 m.

2 計(jì)算方案及荷載組合

2.1 墊層及灌漿方案擬定

廠壩分縫處采用墊層管代替伸縮節(jié),墊層包角為360°,其總長度為8.8 m,自廠壩分縫處向上游鋪設(shè)5.8 m,墊層厚度為30 mm,彈性模量2 MPa.廠壩過縫處的處理措施通常是待大壩與廠房自重沉降基本完成以后,再焊接墊層管的預(yù)留環(huán)縫,并將廠壩分縫灌漿到一定高程,或者不做分縫的灌漿處理.

根據(jù)廠壩過縫處的灌漿高程,擬定了三種方案進(jìn)行分析比較:

方案一廠壩分縫處分縫至大壩建基面,大壩與廠房混凝土在分縫處完全分開,假定大壩與廠房是兩個(gè)相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu),互不影響.

方案二:廠壩分縫處灌漿至管道底部,根據(jù)施工加載順序,先分縫,待大壩建成且自重變形基本完成后,再進(jìn)行灌漿.

方案三:廠壩分縫處灌漿至管道頂部,大壩與廠房通過灌漿完全連為一體,此種結(jié)構(gòu)形式,考慮鍵槽的作用后,假定廠壩間既能傳遞水平推力又能承受剪力.

方案三:保證了廠壩的整體性,對鋼管的受力有利,但由于廠壩之間相互作用大,對廠房的變形影響較大,故在實(shí)際工程中該方案很少被采用.文中主要針對方案一和方案二進(jìn)行計(jì)算比較分析,研究不同灌漿高程,對廠壩分縫處結(jié)構(gòu)的相對位移以及鋼管和混凝土的應(yīng)力狀況的影響,通過對比論證確定可能的最優(yōu)方案.

2.2 計(jì)算工況與荷載組合

廠壩分縫處灌漿高程的選擇,關(guān)鍵問題是灌漿之后的結(jié)構(gòu)形式能否使廠壩分縫處大壩與廠房的相對位移滿足要求,同時(shí)使鋼管與混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)滿足要求.計(jì)算分析時(shí),對各工況進(jìn)行荷載組合,共分成七個(gè)工況進(jìn)行研究.具體情況詳見表1.

表1 鋼管過縫措施研究計(jì)算方案與荷載組合

3 靜力計(jì)算成果分析

3.1 結(jié)構(gòu)變形分析

1)墊層管位移.相同工況下,同一斷面相對位移按 90°(管頂)、0°和 180°(管腰)、270°(管底)逐漸減小.溫降荷載使得分縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)相互分離,而其它工況下,分縫兩側(cè)相互靠攏.壩體側(cè)沉陷位移一般大于廠房側(cè),但溫降荷載作用下,廠房側(cè)沉降位移大于壩體側(cè).故灌漿方案一與灌漿方案二,均是在溫升組合工況下分縫兩側(cè)各方向的相對位移達(dá)到最大.灌漿方案一廠壩分縫處水流向和鉛直向位移均大于灌漿方案二.可見在廠壩過縫處,灌漿至一定高程對減小分縫處廠壩相對位移是有利的.

2)機(jī)墩和下機(jī)架基礎(chǔ)位移.完建工況下,廠房主要是整體向上游變形;另外機(jī)墩在整體向下變形的基礎(chǔ)上,還帶有向上游傾斜的趨勢.正常運(yùn)行工況下,大壩帶動(dòng)基礎(chǔ)向下游變形,使廠房也向下游變形,且灌漿方案二大于灌漿方案一,說明灌漿高程越高,對廠房變形的影響越大.灌漿高程較低時(shí)(灌漿方案一),對減小機(jī)墩定子和下機(jī)架基礎(chǔ)面的徑向位移較為有利,但對減小機(jī)墩定子基礎(chǔ)和下機(jī)架基礎(chǔ)面的傾斜度較為不利.故從廠房整體變形有利的角度來講,建議采用灌漿方案二.

3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

1)鋼管應(yīng)力.灌漿方案一廠壩分縫處鋼管應(yīng)力基本均大于灌漿方案二,兩個(gè)方案都是在溫升組合工況下分縫處鋼管應(yīng)力達(dá)到最大.灌漿方案一和灌漿方案二,廠壩分縫處的鋼管應(yīng)力最大值分別為131.07 MPa和120.87 MPa,都小于鋼材的抗力限值209.8 MPa.灌漿方案二對鋼管受力較為有利.

2)管道混凝土應(yīng)力.兩個(gè)灌漿方案管道混凝土斷面頂部與底部環(huán)向應(yīng)力為拉應(yīng)力,且在頂部內(nèi)側(cè)達(dá)到最大,兩腰部均為壓應(yīng)力.斷面環(huán)向應(yīng)力按灌漿方案一、灌漿方案二依次減小.有墊層部位混凝土環(huán)向拉應(yīng)力均小于無墊層部位斷面.兩個(gè)灌漿方案下管道混凝土軸向應(yīng)力均為壓應(yīng)力,兩種方案相比,灌漿方案二的軸向壓應(yīng)力大于灌漿方案一.可見適當(dāng)提高廠壩分縫處灌漿高程,可以改善分縫處鋼管和混凝土結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài).

4 地震組合工況成果分析

4.1 位移分析

1)墊層管位移.同一斷面相對位移規(guī)律與靜荷載基本一致,即在同一斷面上,管頂、管腰、管底分縫兩側(cè)相對位移依次減小,具體表現(xiàn)為順?biāo)飨蚍挚p兩側(cè)相互靠攏,壩體一側(cè)沉陷位移大于下游廠房一側(cè).相對于正常運(yùn)行工況,各灌漿方案相對位移值有所增加,但是增加程度不大,這是因?yàn)閺S壩分縫處高程較低,地震產(chǎn)生的位移比較小.

2)機(jī)墩和下機(jī)架位移.機(jī)墩整體在水流向位移為正值,兩種灌漿方案下地震荷載對廠房變形影響較小,機(jī)墩定子和下機(jī)架基礎(chǔ)面的徑向位移受地震荷載影響也較小.地震作用引起的機(jī)墩鉛直向不均勻變位對這兩個(gè)灌漿方案均不大.在地震組合工況下,兩種灌漿方案都可滿足要求.

4.2 應(yīng)力分析

1)鋼管應(yīng)力.地震組合工況下,灌漿方案一廠壩分縫處鋼管應(yīng)力最大達(dá)146.20 MPa;灌漿方案二廠壩分縫處鋼管應(yīng)力最大達(dá)130.44 MPa,都小于鋼材的抗力限值209.8 MPa,說明在地震組合工況下,采用灌漿方案一、二鋼管應(yīng)力均可以滿足要求.

2)混凝土應(yīng)力.地震組合工況下,鋼管下平段混凝土應(yīng)力分布規(guī)律與正常運(yùn)行工況基本一致,拉應(yīng)力數(shù)值和區(qū)域有所增加,壓應(yīng)力數(shù)值和區(qū)域有所減小.

5 結(jié)語

1)與灌漿方案二相比,灌漿方案一廠壩完全分離,大壩與廠房相對位移較大,機(jī)墩定子基礎(chǔ)和下機(jī)架基礎(chǔ)面的不均勻鉛直向變位(直接影響到機(jī)組主軸偏移)較大,但相對徑向位移較小.

2)無論是在常規(guī)荷載作用下還是地震荷載作用下,適當(dāng)提高廠壩分縫處灌漿高程可以減小墊層管、機(jī)墩和下機(jī)架的相對位移,改善分縫處鋼管和混凝土結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),因此綜合比較廠壩分縫處的施工條件、技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)后認(rèn)為采用灌漿方案二較優(yōu).

3)計(jì)算結(jié)果表明,豐滿水電站在廠壩分縫處上游側(cè)長度為5.8、下游側(cè)長為3.0 m的管段設(shè)置墊層以代替伸縮節(jié),技術(shù)上是完全可行的.

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1002-0624(2017)11-0053-03

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