吉沙水電站高壓鋼岔管外包混凝土的受力研究

張紅梅，王志國

（中國水電顧問集團北京斟測設計研究院，北京 100024）

1 問題的提出

吉沙水電站引水系統總長約15.58 km，采用一管二機供水方式，在距廠房中心線35 m處布置岔管，岔管采用對稱 “Y”形內加強月牙肋型鋼岔管，分岔角為70°。岔管中心高程2588.5 m，設計內水壓力約652.2 m水頭，主管內徑2.3 m，支管內徑為1.4 m，按明管設計，管殼最大厚度為46 mm，岔管布置在洞外，采用明挖回填，外設鋼筋混凝土鎮墩，碎石回填至2599.15 m高程。

為加快施工進度，高壓管道下平段采取了提前進洞的措施，洞口岔管位置欠挖較大，進洞位置比設計開挖線少挖6 m多。施工過程中，由于種種原因一直沒能實施擴挖，影響了岔管外包鋼筋混凝土鎮墩的施工，使鎮墩體形達不到設計要求。后期廠房主體工程已施工完成，發電工期迫在眉睫，洞口為下平段鋼管安裝的唯一通道，洞口邊坡高度較大，擴挖不僅施工場地小，影響廠房后邊坡的穩定。如不擴挖，使下平段鋼管進洞點位于岔管中心點下游1 m左右的位置，岔管主體一部分位于洞內，一部分位于洞外，使岔管外圍約束不連續，且鎮墩難以布置不能滿足體積要求，同時鎮墩基礎為強風化板巖，變形模量較小，易產生不均勻沉陷，惡化了岔管受力條件。為實現發電目標，同時使岔管滿足設計要求，應業主要求設計進行了減小擴挖量的方案研究。

2 有限元計算分析

2.1 有限元計算參數

為了計算分析地基沉降對鋼管應力的影響、岔管與外包混凝土的受力狀態以及二者在不同的條件下分擔內水壓力的比例，對岔管、外包混凝土及圍巖整體進行了三維有限元計算分析，整體結構計算模型詳見圖1a。岔管模型及控制點位置見圖1b。混凝土、鋼材、墊層材料及圍巖材料參數見表1。本文重點分析有代表性的工況組合。

圖1 岔管整體計算模型

表1 混凝土、鋼材、墊層材料及圍巖參數

工況1:鎮墩不均勻沉降工況 （施工期）。即鎮墩混凝土自重作用下的不均勻沉降，施工期無內水。

工況2:鎮墩不均勻沉降+內水壓力作用+不考慮縫隙的完全聯合承載工況。計算過程中在樁號S15+238.498和S215+254.060處設置了厚度為2.0 cm的軟墊層。其中，樁號S15+238.498上游方向鋪設長度為0.75 m，下游方向鋪設長度為0.5 m。

工況3:鎮墩不均勻沉降+內水壓力作用+考慮縫隙的聯合承載工況。假定初始縫隙為鋼管半徑的5/10000， 即0.575 mm。

工況4:鎮墩不均勻沉降 +內水壓力作用 +考慮縫隙+混凝土充分開裂的承載工況。假定初始縫隙為鋼管半徑的5/10000，即0.575 mm，混凝土充分開裂情況，本文采用降低外圍混凝土變形模量方法模擬，分別降低為原混凝土的0.1和0.01。

工況5:鎮墩不均勻沉降 +內水壓力作用 +不考慮縫隙+混凝土充分開裂的承載工況。混凝土充分開裂情況，本文采用降低外圍混凝土變形模量方法模擬，分別降低為原混凝土的0.1和0.01。

以下計算成果分析中，將工況4放入工況3一并分析，工況5的情況和工況4近似不再贅述。

2.2 計算成果分析

工況1——鎮墩不均勻沉降工況:在自重作用下，發生不均勻沉降，最大位移為0.94 mm，并在鋼管跨縫位置產生一定的應力集中，由于沒有內水壓力作用，岔管整體應力不大，過縫處的鋼管等效應力 （Mises）應力最大值為6.99 MPa，各控制點的Mises應力見圖2。

圖2 岔管各控制點的Mises應力

從圖2可看出，控制點A位于洞內洞外混凝土分縫處，應力集中較大。肋板應力受不均勻沉降影響，最大應力區偏向了肋板下部中間，最大Mises應力為2.54 MPa。由于受圍巖約束影響，上游部分混凝土產生一定的拉應力，最大拉應力為1.46 MPa。

工況2——鎮墩不均勻沉降+內水壓力作用下不考慮縫隙的完全聯合承載工況:此工況為外包混凝土受力的最不利工況，外包混凝土分擔岔管內水壓力最大，鋼岔管承擔的內水壓力最小。這是一種假想工況，實際外包混凝土與鋼岔管表面肯定是存在縫隙的。此時分縫下游側圍巖變形模量為1.0 GPa，上游側圍巖變形模量取4.0 GPa。

在鎮墩不均勻沉降和內水壓力共同作用下，混凝土和鋼管、肋板均呈現出不同的受拉狀態，各控制點的Mises應力見圖3。從圖4～6中可看出，不考慮縫隙值的完全聯合承載方案，除了過縫處鋪設墊層位置的鋼管應力超過200 MPa外，其余管段的鋼材應力均在90 MPa以下。肋板的應力也不大，最大應力區位于肋板中部，最大Mises應力為81.67 MPa。

從圖6可以看出，在內水壓力作用下，混凝土承受較大部分水壓力，出現大范圍的受拉區域。其中，在管腰位置幾乎全斷面超過C20混凝土的設計抗拉強度，最大拉應力為8.1 MPa。

取岔管中心和支管兩個斷面分析外包混凝土的應力，其中岔管中心斷面可以作為主管和岔管段控制配筋的斷面，支管斷面可以作為支管段控制配筋的控制斷面計算各截面的合力、配筋及分擔內水壓力的比例 （如表2所示）。

從表2可看出，岔管中心斷面的混凝土承擔了很大部分的水壓力，在左右腰部位置，分擔了75.7%的內水壓力，要求的配筋面積達到了176.29 cm2；支管斷面的混凝土承擔的內水壓力較小，但最大也達到了65.2%，要求的配筋面積為75.12 cm2。

圖3 岔管各控制點的Mises應力

圖4 不考慮縫隙時鋼管Mises應力（單位:MPa）

圖5 不考慮縫隙時肋板Mises應力（單位:MPa）

圖6 不考慮縫隙時混凝土第一主應力（單位:MPa）

工況3（4）——鎮墩不均勻沉降+考慮縫隙的聯合承載工況 （+混凝土充分開裂）。實際上，外包混凝土與鋼岔管表面是存在縫隙的，縫隙值的大小與混凝土的收縮量、施工質量有很大關系。本文假定初始縫隙為鋼管半徑的5/10000，即0.575 mm。此時鋼管在內水壓力作用下，向外變形，首先填滿縫隙，鋼管單獨承擔一部分水壓力，然后與外圍混凝土聯合承擔余下水壓力。

表2 控制斷面配筋計算

在鎮墩不均勻沉降和內水壓力共同作用下，混凝土和鋼管、肋板均呈現出不同的受拉狀態，各控制點的Mises應力詳見圖7中工況3及圖8～10。

圖7 岔管各控制點的Mises應力

圖8 考慮縫隙的聯合承載時鋼管Mises應力（單位:MPa）

圖9 考慮縫隙時肋板Mises應力（單位:MPa）

從圖7～10中可看出，對于考慮縫隙值的完全聯合承載方案，與工況2相比，鋼管的整體的拉應力有明顯增加，C點的應力增加最多，增加了90.6 MPa；但在墊層附近的應力集中現象明顯降低，A點的位應力降低了32.6 MPa。而由于肋板外側未考慮縫隙值，因此肋板應力增加幅度不明顯，最大應力區位于肋板中部，最大Mises應力84.5 MPa，比工況2增加了2.8 MPa。同時，由于混凝土聯合承擔的水壓力部分降低較多，因此混凝土應力也有較為明顯的減小，最大拉應力3.7 MPa，比工況2降低了4.4 MPa；但混凝土仍呈現全斷面受拉狀態。

圖10 考慮縫隙時混凝土第一主應力（單位:MPa）

取岔管中心和支管兩個斷面分析外包混凝土的應力 （其中岔管中心斷面可以作為主管和岔管段的控制配筋斷面，支管斷面可以作為支管段的控制配筋控制斷面），計算結果見表3。

表3 控制斷面配筋計算

從表3可看出，考慮縫隙影響后，外圍混凝土應力大幅減小。岔管中心斷面混凝土仍承擔了較大部分的內水壓力，在左右腰部位置分擔了30.87%的內水壓力，要求的配筋面積也達到了58.41 cm2；支管斷面混凝土承擔的內水壓力部分較小，但最大也達到了22.34%，要求的配筋面積為25.73 cm2。

由此可見，即使岔管按明管設計，考慮一般施工條件形成的施工縫隙，由于岔管變形，仍將使外包混凝土產生較大拉應力。這也是實際工程中，大部分明管鎮墩和外包混凝土開裂的原因。

在內水壓力作用下，假定混凝土充分開裂，此時混凝土的彈性模量取為原來的0.1來計算各控制點的Mises應力 （見圖7中工況4）。從圖7可看出，混凝土充分開裂后，與工況3相比，除過縫處，即除A點外，其余部位的鋼管和肋板應力都有明顯增加。進一步降低外圍混凝土的變形模量，取原有混凝土變形模量的0.01計算各控制點的Mises應力見圖7中工況5。從計算結果可以看出，除過縫處鋼管，即A點外，其余部位的鋼管和肋板的應力進一步增加。其外圍混凝土幾乎不起作用，鋼管整體應力水平與明管方案相當，甚至肋板上局部點的應力已經超過明管方案。

3 結論

（1）施工期，岔管洞內洞外部分擴挖方案的鎮墩混凝土重力作用造成基礎巖石沉降，但數值不大，最大位移為0.94 mm；而對運行工況岔管混凝土洞內洞外交界處鋼管的應力影響較大，引起了明顯的應力集中。

（2）在考慮鎮墩基礎不均勻沉降的基礎上，考慮混凝土與鋼岔管完全聯合承載且不考慮初始縫隙時，鋼管整體應力狀態均較小，數值普遍在65 MPa以下，肋板上僅僅出現了81.67 MPa的最大值，但是上游鋼管過縫處出現了一定的應力集中，局部的最大主應力達到了235.236 MPa；而此時混凝土承擔了很大部分的內水壓力，在主管基本錐和過渡錐相貫線斷面位置，分擔了75.7%的內水壓力；支管斷面混凝土承擔的內水壓力部分較小，但最大也達到了65.2%。混凝土出現了較大范圍的拉應力超過混凝土設計抗拉強度的區域，其中在管腰位置幾乎全斷面超過C20混凝土的設計抗拉強度，最大拉應力為 8.1 MPa。

（3）在考慮鎮墩基礎不均勻沉降影響的基礎上，同時考慮初始縫隙的影響時，鋼岔管分擔的內水壓力有所增加，C點的局部最大主應力已達到157.8 MPa，比不考慮縫隙的工況應力增加了101.3 MPa，但比明管不考慮外包混凝土狀態的應力減小了67.3 MPa；而此時混凝土承擔了較小部分的內水壓力，在主管基本錐和過渡錐相貫線斷面位置，分擔了30.87%的內水壓力；支管斷面混凝土承擔的內水壓力較小，最大為22.34%。混凝土拉應力超過其設計抗拉強度的區域有了明顯減小。由于混凝土聯合承擔的內水壓力降低較多，因此混凝土應力也有較為明顯減小，最大拉應力為3.7 MPa，比不考慮縫隙降低了4.4 MPa；但混凝土仍呈現全斷面受拉狀態。

（4）在考慮鎮墩基礎不均勻沉降的基礎上，考慮混凝土在內水壓力作用下充分開裂。本文分別按開裂后的混凝土變形模量為原有模量的0.1和0.01計算，結果表明:隨著混凝土變形模量的減小，鋼管承擔的內水壓力逐漸增大，其應力也逐漸增加，后者的鋼管應力基本與明管方案相當。