哈拉軍水電站尾水管彎管段內力計算

邰春亮

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

哈拉軍水電站工程位于新疆特克斯縣境內的特克斯河一級支流庫克蘇河上，是伊犁河流域庫克蘇水力發電規劃報告中“三庫六級”的中的第六個梯級電站。距特克斯縣12 km，距伊寧市131 km。根據《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》（DL 5180-2003），哈拉軍水電站設計引水流量98.2 m3/s，電站裝機容量為38 MW，哈拉軍水電站為Ⅳ等小（1）型，電站主要建筑物級別為4 級。地震基本烈度為Ⅷ度。電站廠房及尾水渠采用設計洪水頻率P=2%，重現期為50 年一遇；校核洪水頻率P=1%，重現期為100 年一遇。

2 尾水管結構

尾水管彎管段通常指中墩墩頭到錐管以下這段結構，該段結構特點是頂板很厚，底板相對較薄，兩側邊墩在水平方向為變厚度。彎管段一般不設金屬里襯，但當水頭大于150 m，或尾水管平均流速大于6 m/s 時，以及水中含沙量較大的電站，可考慮設里襯[2]。

2.1 尾水管單線圖

尾水管單線圖見圖1、圖2。

圖1 尾水管單線圖（側視）

圖2 尾水管單線圖（俯視）

2.2 基本假定及計算過程

本次計算目的是通過對哈拉軍水電站尾水管的結構內力（即彎距、剪力、軸向力）計算，根據內力計算結果對結構進行配筋、限裂的計算。

設計資料：橋機自重按140 t 設計，最大起重量按150 t 設計，橋機試驗最大起重量按150×1.25=187.5 t 設計。

2.2.1 基本假定

（1）在圖3 所示的尾水管中，在垂直方向選取4 個計算斷面，在各計算斷面處切取單寬按平面問題進行計算。

（2）考慮各斷面的計算情況多數以機組檢修為控制，故以下僅計算機組檢修情況，此時電站下游尾水位為1172.539 m。

（3）尾水管計算荷載包括尾水管自重、蝸殼重、風罩及機墩重機電設備重等。尾水管以上二期砼及機電設備重均化為均布荷載考慮。

（4）廠房基礎反力在垂直水流方向上按均布考慮，同時不考慮砼的溫度應力。

尾水管橫剖面見圖3。

圖3 尾水管橫剖面圖

2.2.2 彎管段內力計算（1- 1 斷面）

首先確定計算簡圖并進行荷載計算，1-1 斷面的型式及尺寸見圖4。底板的跨高比；豎向桿的，故不可忽略剪切變形和節點剛性的影響，節點剛性段的長度取節點寬度的一半，柔性段長度取凈跨。

圖4 1-1 斷面示意圖

（1）荷載計算

機墩及風罩砼自重為6553kN；蝸殼二期砼自重為21702kN；尾水管自重31230 kN，其余部分大體積砼自重69214 kN；該機組段承重的基礎面積443.39 mm2。故：

水輪機自重1550 kN；發電機自重2450 kN，其它機電設備及上部結構自重8432 kN；故：

機組檢修時下游尾水位為1172.539 m，不考慮基礎排水設施，浮托力按矩形考慮，即：q3=1.05×9.3×9.8=95.7 kN/m2。

基礎反力q=q1+q2-q3=228.65 kN/m2；側向水壓力q上=88.29 kN/m2,q下=33.78 kN/m2，取斷面寬度b=1 m。

各桿件荷載簡圖，見圖5。

圖5 各桿件荷載簡圖

（2）結構形常數計算

按考慮節點剛性及剪切變形影響時的形常數表進行計算。截面慣性矩計算，見表1。

表1 截面慣性矩計算表 單位：m4

剪力變形影響系數（兩端固定的桿件）計算，見表2。

表2 剪力變形影響系數計算表

抗彎剛度系數計算，見表3。

表3 抗彎剛度系數計算表

分配系數：

同理μCD=0.907 μCB=0.093

傳遞系數，見表4。

表4 傳遞系數計算表

（3）結構載常數計算

參考考慮節點剛性及剪切變形影響時桿件的載常數表，計算各個柔性桿端的固端彎矩及剪力。

（4）剛性節點固端彎矩計算

（5）桿端彎矩計算

用力矩分配法計算桿端彎矩，見表5。

表5 1-1 斷面桿端彎矩計算表

（6）柔性段桿端彎矩計算

（7）內力圖見圖6、圖7。

圖6 彎矩圖及剪力圖

由上述內力計算結果可知，尾水管彎管段角點處彎矩及軸力較大，但剪力較小。

（8）強度計算

根據上述內力計算結果，進行尾水管彎管段強度計算，得到合理的配筋成果及裂縫開展寬度結果，計算依據《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）及《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008） 中的計算公式，計算結果見表6。

表6 強度計算成果表

圖7 軸力圖

2.2.3 彎管段配筋要點

根據本工程彎管段內力及強度計算可知，當配筋率小于最小配率時，可按少筋混凝土計算，即用降低安全系數的方法計算配筋量，對受彎、大偏心受壓、大偏心受拉構件的受拉鋼筋其配筋率不得小于0.05%（厚度超過5 m 的構件可不受此限，但每米寬度內的鋼筋面積不得少于25 cm2）；對大偏受壓、大偏心受拉構件中的受壓鋼筋不得小于0.02%（一側）；對小偏心受壓，軸心受構件中的受壓筋不得小于0.04%（兩側）[3]。垂直主方向的分布筋（架立筋）面積一般不小于主筋面積的15%～25%，直徑一般為中Φ16～Φ20，間距一般為200 mm～300 mm。對尾水管結構受進人孔、廊道等削弱的部位，需適當增加鋼筋面積予以加強。

3 結語

尾水管底板是整個廠房的基礎板，考慮到傳力的均勻及減少早期溫度收縮裂縫，一般在整個底般范圍內均須布置鋼筋。鋼筋的數量按照彎管段及擴散段底板的計算需要配置。尾水管框架頂板、底板與墩子交接的轉角處是產生應力集中的部位，其應力分布與內折角的形狀有關。內折角越平緩，應力集中越小。因此一般都將內折角作成圓弧形或填角（補角）以緩和應力集中現象。填角處需設加強斜筋，斜筋直徑、間距與頂、板主筋相同。