加勁環壓力管道加固方案對比與經濟性評價研究

張鳳來

(遼寧省喀左縣凌河保護區管理局，遼寧 喀左 122300)

1 工程背景

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省丹東市寬甸境內，與丹東市的距離約60 km。電站的裝機總容量為1200 MW，建成后可以充分發揮東北電網的調峰、填谷和事故備用等任務，對提高東北電網的安全運行水平具有重要意義[1]。電站由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房等組成。引水系統由上述庫進/出水口、引水隧洞和壓力鋼管組成，采用兩洞四機布置。其中，壓力鋼管的單管內徑為4.0 m，設計引流量為33.35 m3/s，最大流速為2.65 m/s。壓力鋼管由16MnR鋼制作。壓力管線下層主要鋪設砂礫石土，在開挖的溝槽底部設置有厚度為40 cm的鋼筋混凝土墊層，兩側和頂部利用開挖的砂礫石料回填，平均回填深度2.0 m。

2 ANSYS有限元模型

2.1 有限元模型的構建

對于水電站壓力鋼管的設計，規范規定對于復雜結構壓力管道宜用有限元法進行計算[2]。近年來，隨著計算機技術的迅速發展以及大型有限元軟件的應用，使水電站地下輸水管道的應力和位移分析實現可視化。在現有有限元分析軟件中，ANSYS 功能強大，可以用于各種工程實際問題的求解，因此研究中選用ANSYS軟件進行背景工程有限元模型的構建[3]。

在研究中以蒲石河抽水蓄能電站1號壓力鋼管進口段進行加固方案分析，利用ANSYS大型單位有限元分析軟件進行計算模型的構建。該段鋼管的管壁厚度為12 mm，加勁環的間距為4.0 m。利用該段鋼管的幾何尺寸建立模型。在模型的構建過程中，首先建立鋼管和加勁環模型，再添加模型底部的鋼筋混凝土墊板，最終形成整體模型[4]。

在ANSYS軟件中，提供了十分豐富的網格單元類型，這些單元結構隨物理和力學參數的不同而不同，因此需要結合水工結構的物理力學參數選擇合適的模型單元[5]。例如在三維實體結構中應該選擇3D實體單元。這類單元具有單個維度的自由度，可以對幾何實體的真實結構進行較好的模擬。基于此，選擇SHELL181四節點等參殼體單元進行鋼管和加勁環的模擬，利用8節點等參單元SOLID65進行墊層混凝土的模擬[6]。利用上述兩種單元對模型進行網格單元劃分，共獲得12 231個網格單元，14 465個計算節點，有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件與計算參數

在壓力鋼管加固方案的有限元分析過程中，采用彈塑性本構模型[7]。對于計算模型的邊界條件，壓力鋼管和底部鋼筋混凝土墊板結構應分為位移和應力邊界。在鋼筋混凝土墊板的底部施加位移邊界條件，也就是對墊板底部的單元施加全位移約束，對模型的兩側施加水平位移約束。在鋼管和混凝土墊板的左右兩側施加應力邊界條件，并主要考慮土壓力對鋼管以及鋼筋混凝土墊板的作用。對于鋼管周圍的土壓力計算，分別用豎向壓力和水平壓力表示[8]。其中，豎向壓力沿鋼管水平直徑方向均布，并以管頂的土壓力為基準；水平土壓力以鋼管側面直徑部位的土壓力為基準，并沿豎向直徑方向均布，在計算過程中均以郎肯主動土壓力公式計算。

加勁環鋼管的幾何尺寸上文已有明確敘述，這里不再重復。此次工程設計的回填土為細粒土含量大于12%的砂礫石。原狀土的標準貫入錘擊數大于50，由于土體的性質容易受到各種環境因素的影響而改變，因此以壓實系數為85%，變形模量為2 MPa為參數進行計算。基于上述分析，研究中采用如表1所示的具體計算參數。

表1 工程材料計算參數

3 加勁環鋼管加固措施

3.1 工程加固參數范圍計算

在實際工程設計過程中，直徑和厚度是壓力管道設計的兩個重要參數，在確定過程中需要綜合考慮工程和經濟需求。在此次研究中首先結合工程勘察報告與初步設計方案中的相關參數，利用構建的有限元模型對其極限承載力進行試算，并將其作為最佳加固方案的選擇依據。結合工程實際，設置13 mm、14 mm和15 mm三種不同的管道壁厚以及加勁環間距，試算獲取管道的抗外壓臨界值，結果如表2所示。由表中的計算結果可以看出，當加勁環的間距小于10 m時，管壁的臨界外壓力值隨著加勁環間距的減小有十分明顯的增長，當加勁環間距大于10 m時，管壁的臨界外壓力值隨著加勁環間距的減小變化不大。同時，按照背景工程特點和相關規范要求，壓力鋼管的安全系數值取2.0，其對應的管道抗外壓穩定壓力值為1.40 MPa。因此，當鋼管的壁厚為13 mm和14 mm時，加勁環的間距不應小于4 m，當鋼管壁厚為15 mm時，加勁環的間距不應小于5 m。

表2 不同壁厚和加勁環間距抗外壓臨界值計算成果

3.2 加固方案與評價

由于工程的初始設計為光面埋地鋼管，壁厚為13 mm。由上表中的數據可以看出，加勁環間距為15 m時的抗外壓臨界值僅為0.59 MPa，顯然采用光面埋地鋼管是不能滿足1.40 MPa的規范要求的。因此必須要采取加固措施。在加固方式方面，主要有增加壓實系數和增加壁厚兩種基本思路。

對于增加壓實系數，研究中設定85%、95%和100%三種不同的回填土壓實系數，并對其臨界外壓值進行計算，結果如表3所示。由計算結果可以看出，臨界外壓值最大的是回填土壓實系數95%、加勁環間距4 m方案。同時，從表中還可以看出，壓實系數對結果的影響相對較小，而加勁環間距的影響較大。另一方面，滲透水和地層擾動等因素均會對回填土的綜合變形模量產生較大的影響，因此，減小加勁環間距方案要明顯優于增加回填系數方案。

表3 增加壓實系數方案計算結果

在增加壁厚方面，在原有13 mm厚度的基礎上，增加14 mm和15 mm兩種厚度方案，對臨界外壓值進行計算，結果如表4所示。由表中的結果可以看出，增加管壁厚度雖然有助于提高臨界外壓值，但是其影響遠沒有加勁環間距的影響作用更大。由此可見，減小加勁環間距也明顯優于增加壁厚方案。

表4 增加鋼管壁厚方案計算結果

綜上所述，在埋地鋼管加固方面，減小加勁環間距要明顯優于增加回填土壓實系數和增加鋼管管壁厚度。因此，建議在工程設計中采用減小加勁環間距的加固方案。

3.3 經濟性分析

背景工程的壓力鋼管段長為39 m，為了滿足壓力鋼管抗外壓承載力的要求，不同壁厚鋼管的加勁環最大間距不同。現就不同設計方案的綜合造價進行預估計算，結果如表5所示。由表中的計算結果可以看出，在保持原始方案壁厚的情況下，增加加勁環的加固方案下工程經濟性方面要明顯優于增加管壁的壁厚而減少加勁環個數的加固方案。因此，在工程設計中建議采取保持13 mm的原始設計壁厚不變，間隔4 m設置加勁環的加固方案，不僅可以保證工程的安全性，還具有較好的工程經濟性。

表5 不同方案綜合造價預估結果

4 結 論

此次研究以蒲石河抽水蓄能電站為例，利用數值模擬的方法探討了淺埋壓力鋼管加固方案，并獲得如下結論：

(1)隨著加勁環間距的增大，鋼管的抗外壓臨界值迅速減小并逐漸趨于穩定。

(2)從抗外壓臨界值來看，減小加勁環間距要明顯優于增加回填土壓實系數和增加鋼管管壁厚度加固方案。

(3)在保持原始方案壁厚的情況下，增加加勁環的加固方案下工程經濟性方面要明顯優于增加管壁的壁厚而減少加勁環個數的加固方案。

(4)綜和研究結果，建議背景工程壓力管道設計中采用保持13 mm的原始設計壁厚不變，間隔4 m設置加勁環的加固方案。