高水頭水電站壓力鋼管 穿廠房水下墻結合部位的有限元分析

廖騰耀

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

在以往的水電站廠房設計中，壓力鋼管穿墻段通常在鋼管與墻體之間設置一定厚度的閉孔泡沫板做為彈性墊層使用，保證水下墻在各運行工況下不受壓力鋼管內水壓力作用，避免因鋼管內水壓力作用，在結合部位墻體出現環向裂縫而形成滲水通道，影響電站的正常使用。近年來，隨著能源需求的不斷增長，水電站開發以水資源利用最大化為原則，規劃設計了一大批高水頭、大容量水電站工程，并陸續開建、建設。新形勢下傳統的工程措施是否仍然有效、可靠，采用傳統結構力學很難得到驗證，為保證工程安全可靠，需對該結合部位采用有限元法進行分析研究。本文以某高水頭水電站為例，應用有限元軟件，分別計算鋼管與墻洞之間不同接觸狀態下壓力鋼管和墻體的受力和變形，總結其應力、應變規律，為該結合部位的結構設計提供指導。

1 工程概況

某水電站工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型。工程裝機容量116MW，電站額定水頭347m，保證出力38.3MW，多年平均年發電量3.83億kW·h，裝機利用小時數3308h。該電站為引水式發電，引水系統總長11.4km，電站最大水頭373.77m，最小水頭346.33m，機組運行時最大內水壓力(加水錘壓力)4.5MPa，屬于高水頭水電站。

2 方案擬定

根據工程實際情況，建立壓力鋼管穿過廠房水下墻的有限元三維模型，如圖1所示。圖1中穿墻段壓力鋼管直徑1.2m，厚度26mm，水下墻厚度2m，其中鋼管頂部0.5m以上的水下墻厚度變為1m。

根據鋼管與墻體之間的接觸形式，設置了4種方案。

方案1：鋼管與墻體之間擬采用50mm厚閉孔泡沫板填充，泡沫板變形模量3MPa，如圖2所示。

方案2：鋼管與墻體直接接觸，二者間無縫隙，如圖3所示。

方案3：鋼管與墻體有縫隙。考慮到墻洞處混凝土澆筑后干縮、鋼管和混凝土墻體受溫度等因素影響，壓力鋼管和墻體之間可能有縫隙存在，因此假定鋼管與墻體之間初始縫隙寬度0.2mm。鋼管受內壓后膨脹，與墻體接觸，聯合受力。

方案4：在方案3的基礎上，假定鋼管與墻體之間初始縫隙寬度0.5mm。鋼管受內壓后膨脹，與墻體接觸，聯合受力。

在以上方案中，鋼管所承受的內水壓力分兩個階段：第一階段，內水壓力水頭373.77m，即最大水頭；第二階段，內水壓力水頭448.8m，即設計內水壓力加水錘壓力。其它荷載包括廠房正常運行期的結構自重、樓面荷載等。

圖1 壓力鋼管穿過廠房水下墻的有限元模型

圖2 鋼管與墻體之間填充閉孔泡沫板方案

圖3 鋼管與墻體之間無縫隙接觸方案

3 計算分析

3.1 方案1：鋼管與墻體之間填充閉孔泡沫板

計算結果表明，在壓力鋼管與墻體之間充填50mm厚的閉孔泡沫板彈性墊層，墻孔最大拉應力0.08MPa，位于孔底。主拉應力方向沿墻孔環向分布。內水壓力引起的水下墻變形以孔底為最大，相應的位移為0.0027mm。水下墻的應力狀態如圖4所示。

鋼管在有泡沫板束縛部位的最大拉應力為104.9MPa，無束縛部位最大拉應力為106.2MPa，差異不大；有、無泡沫板束縛部位的鋼管位移差異也很不明顯。由此可見，泡沫板很“軟”，它對鋼管的束縛作用十分有限。鋼管向四周膨脹，下部位移大于上部，最大位移0.44mm，位于管底。壓力鋼管的應力狀態如圖5所示。

圖4 方案1水下墻應力狀態(單位：MPa)

圖5 方案1壓力鋼管應力狀態(單位：MPa)

3.2 方案2：鋼管與墻體之間無縫隙

在假定壓力鋼管與混凝土墻直接接觸、無縫隙的狀態下，混凝土墻孔口主拉應力方向沿孔環向分布，孔口表面最大拉應力范圍2.0～3.0MPa，孔上部墻體有大范圍拉應力超過1MPa，如圖6所示。孔上部拉應力大于下部的主要原因：孔下部墻體比上部更厚重，抗鋼管擠壓變形能力更強，孔下部墻厚2m，孔上部0.5m以上墻體厚度由2m變為1m。內水壓力引起的墻沿孔徑向變形，孔上部位移0.13mm，兩側位移0.10mm，下部0.09mm。

鋼管在受混凝土墻約束部位的拉應力為33MPa，無約束部位最大拉應力為110MPa，差異較大，由此可見，在墻與鋼管之間無縫隙時，墻對鋼管的約束作用明顯。在受墻約束部位，鋼管向四周膨脹，上部略大于下部，最大位移0.13mm，與墻孔口變形規律一致。鋼管自由段，受內水壓力作用產生的最大變形約0.4mm。壓力鋼管的應力狀態如圖7所示。

3.3 方案3：鋼管與墻體之間縫隙縫寬0.2mm

鋼管在內壓作用下，與鋼管接觸處的淺層混凝土拉應力較大，有超過1MPa的部位，但深度不超過0.1m。混凝土墻孔口受鋼管膨脹擠壓向四周變形，孔上部略大于下部，上部位移約0.04mm，下部位移約0.03mm。水下墻的應力狀態如圖8所示。

鋼管在受混凝土墻約束部位的拉應力為82MPa，無約束部位最大拉應力為108MPa。由于鋼管與混凝土墻之間縫隙的存在，壓力鋼管受內壓產生變形，在變形充滿縫隙后，混凝土墻才開始受力、分擔內水壓力。故鋼管在受混凝土墻約束部位的拉應力大于鋼管與墻體之間無縫隙的情況。鋼管受內壓向外膨脹，下部位移0.24mm，上部位移0.22mm。壓力鋼管的應力狀態如圖9所示。

3.4 方案4：鋼

管與墻體縫隙縫寬0.5mm

壓力鋼管充水加壓后，管道除了受內壓作用而向外膨脹，還受水的重力而發生下沉，管道底部與混凝土墻之間的縫隙因管道下沉而被填滿，但是管道上部及兩側與墻體之間等縫隙仍存在。由于縫隙寬度大于管道變形量(方案2鋼管在自由狀態下，在受內水壓力作用下的最大變形約0.4mm)，因此管道的受力接近明管狀態。由于管道近于明管狀態，墻體以內管段的應力略小于墻外管段的應力，差異約2MPa，這是因為墻內管段底部與墻體發生接觸而略改變管道應力狀態。壓力鋼管最大拉應力約110MPa。壓力鋼管的應力狀態如圖10所示。

圖6 方案2水下墻應力狀態(單位：MPa)

圖7 方案2壓力鋼管應力狀態(單位：MPa)

圖8 方案3水下墻應力狀態(單位：MPa)

圖9 方案3壓力鋼管應力狀態(單位：MPa)

圖10 方案4壓力鋼管應力狀態(單位：MPa)

圖11 方案4水下墻應力狀態(單位：MPa)

由于壓力鋼管近于明管狀態，墻體幾乎不分擔管道內水壓力，墻體拉應力最大值不足0.2MPa，主要位于墻體與管道下部接觸處，拉應力方向沿墻洞的環向分布。水下墻的應力狀態如圖11所示。

4 結論

本文依托某高水頭水電站，采用有限元法對穿墻段鋼管和墻體進行聯合承載仿真計算，通過對鋼管與墻體之間設置彈性墊層、直接接觸、有縫隙接觸等方案，分析計算壓力鋼管和墻體的受力和變形狀態，得到以下結論：

(1)當壓力鋼管與墻體之間充填50mm厚的閉孔泡沫板塑料板墊層時，由于泡沫板很“軟”，它對鋼管的約束作用十分有限，鋼管幾乎處在明管狀態。在內水壓力4.5MPa的作用下，鋼管最大拉應力約110MPa，遠低于設計強度，鋼管向外的最大變形量約0.44mm。墻體幾乎不分擔鋼管的內水壓力，因此壓力鋼管周圍的墻體內拉應力很小，墻體的主要應力狀態為沿垂直向的壓應力。

(2)若壓力鋼管和墻體直接接觸，無縫隙，墻體分擔鋼管內水壓力的作用最大，墻孔口主拉應力沿孔環向分布，孔口表面最大拉應力2.0～3.0MPa，孔上部墻體有大范圍拉應力超過1MPa；鋼管變形因受混凝土墻束縛，拉應力比較低，約33MPa。

(3)當鋼管與混凝土墻之間有縫隙時，分別假定縫隙寬度為0.2、0.5mm。縫隙越小，墻體分擔管道內水壓力的比例越多。當縫隙寬度等于0.5mm時，壓力鋼管充水后下沉，僅底部與墻孔接觸，管道上部及兩側與墻孔之間等縫隙仍存在，壓力鋼管近于明管狀態，墻體幾乎不分擔管道內水壓力。

綜上所述，穿墻段鋼管與墻體之間設置50mm厚度的閉孔泡沫板彈性墊層的工程措施，能確保水下墻在各運行工況下不分擔壓力鋼管內水壓力，墻體內拉應力小，有效避免結合部位墻體沿孔口出現裂縫的情況，保證了電站的正常運行。