工程圍巖水壓力分析論文

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埋藏式岔管通常是按明管設計，不考慮圍巖的約束作用，圍巖分擔內水壓力僅作為一種安全儲備，以往我國有些工程也不同程度地考慮圍巖分擔內水壓力的潛力，如以禮河三級電站斜井式調壓井的分岔結構、漁子溪一級電站三梁岔管等。

由于日本大型抽水蓄能電站比較多，80年代末開始研究大PD值岔管圍巖分擔內水壓力的設計。首先是在奧美濃電站的內加強月牙肋岔管進行嘗試，奧美濃電站的1#岔管最大PD=4108.5m2，主管內徑5.5m。這種嘗試在世界上也屬首例。由于是首次嘗試，缺乏經驗，設計時圍巖分擔率限制在15%以下，而原型觀測結果遠大于15%。

在實際運行中，圍巖與岔管是聯合受力的。埋藏式岔管圍巖作用主要體現在兩方面：一是在受到內水壓力作用時，同地下埋藏式園管一樣，圍巖分擔部分內水壓力，減少鋼岔管所承擔的荷載；二是由于岔管結構變形是不均勻的，受到圍巖的約束作用，限制了岔管變位，使其變形均勻化，消減岔管折角點的峰值應力，使岔管應力分布均勻化，便于材料強度的充分發揮。為進一步分析實際工程中，岔管與圍巖聯合作用的規律，對我國的十三陵抽水蓄能電站的內加強月牙肋岔管原形觀測資料進行了分析，并通過三維有限元模擬岔管實際工況與觀測成果進行對比分析，同時也對日本的奧美濃抽水蓄能電站、奧矢作第一電站岔管觀測成果進行分析，探討岔管圍巖分擔內水壓力的規律。

1十三陵抽水蓄能電站岔管觀測資料分析

1.1工程概況

十三陵抽水蓄能電站位于北京著名的十三陵風景區，十三陵水庫的左岸，電站最大水頭481m，安裝4臺200MW單級混流可逆式水泵水輪機組，總裝機容量為800MW。第一臺機組于1995年末投產，第四臺機組于1997年7月1日前并網發電。電站由上水庫進／出水口、閘門井、引水隧洞、引水調壓井、高壓管道、尾水支管、尾水調壓井、尾水隧洞、下游進／出水口、閘門井等組成，電站樞紐布置詳見圖1。引水系統采用一管兩機的布置方式，高壓管道采用斜井布置，坡度為48°，主管直徑為5.2～3.8m，長約為850m，在距地下廠房上游邊墻約30m處，布置高壓岔管，高壓岔管采用內加強月牙肋岔管，設計內水壓力為684m。主管直徑3.8m，高壓支管直徑2.7m，公切球直徑4.2m。岔管殼體采用日本進口的SHY685NS－F鋼板，最大厚度為62mm，肋板采用和SUMITEN780Z鋼板制造，厚度為124mm。

圖1十三陵抽水抽能電站樞紐布置示意圖

1.2岔管設計

(1)地形、地質條件

壓力管道上覆巖體厚度60～300m，岔管部位覆蓋巖體較厚約300m左右。壓力管道下斜段下部至廠房上游邊墻間，除下彎段為安山巖外，主要為復成分礫巖，圍巖以Ⅲ類為主，巖石呈微風化至新鮮狀態,但因受斷層及不同巖層接觸帶的影響，局部巖體較破碎，屬Ⅳ～Ⅴ類圍巖。埋設有原型觀測儀器的2＃岔管位于Ⅲ類圍巖中。根據平板載荷試驗和原位模型水壓試驗確定的物理力學特性和設計采用值見表1。

表1十三陵鋼管圍巖物理力學特性試驗成果及設計取值

試驗洞編號

Ⅰ

Ⅱ

位置

電站廠房上游探洞內

壓力管道中部支洞內

巖性

安山巖（塊狀構造）

復成分礫巖（f2張裂帶內、平行設置）

圍巖類別

Ⅲa

Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ

彈性

模量

（Gpa）

測試結果

平板載荷試驗

31.7

平板載荷試驗

8.6～16.7

0.4～0.65（破碎帶）

平硐水壓試驗

14.4～18.2

平硐水壓試驗

3～8.9

設計采用值

6

Ⅲb5、Ⅳ2、Ⅴ0

塑性變形系數

測試結果

平板載荷試驗

0.36

平板載荷試驗

0.458～0.6

1.24（破碎帶）

平硐水壓試驗

平硐水壓試驗

0.49～0.52

設計采用值

0.5

0.5

經在地下廠房探洞（埋深250m）實測表明，廠區地應力以自重應力為主，構造殘余應力較小。實測最大應力為6～10Mpa，近水平，方向NW300°～310°（廠房軸線方向為NW280°）。

(2)岔管型式與體形

結合十三陵抽水蓄能電站輸水系統總體布置，高壓岔管采用對稱“Y”形內加強月牙肋岔管，分岔角為74°。岔管采用多錐拼焊結構，主管直徑3.8m，支管直徑2.7m，主支錐腰線折角12°。具體體形及尺寸詳見圖7-2和表2。

表2岔管體形尺寸

項目

數值

項目

管

殼

主管內徑(m)

支管內徑(m)

公切球直徑(m)

分岔角(°)

主錐半錐頂角(°)

支錐半錐頂角(°)

殼板厚度（mm）

3.8

2.7

4.2

74

9、4.5

16、8

62

肋

板

肋板高度（mm）

肋板總寬度（mm）

斷面最大寬度（mm）

肋寬比

肋板厚度（mm）

4427.4

2681

860

0.29

124

圖2十三陵抽水蓄能電站岔管體形圖

(3)材料及容許應力

十三陵岔管PD值較大，殼板選用SHY685NS－F，肋板有Z向性能要求，肋板選用SUMITEN780Z鋼板制造。容許應力依據日本《水門鐵管技術基準》（1993年版）取值。另根據JISB8250《壓力容器制造替代標準》，水壓試驗準態容許應力增加1.25倍。容許應力見表3。

表3容許應力

規格

屈服強度

σs(MPa)

抗拉強度

σs(MPa)

應力性質

(MPa)

容許應力(MPa)

永久荷載

水壓試驗狀態

SHY685NS－F

50mm＜t≤100mm

665

760～910

一次應力（膜）

一次應力＋二次應力

320

432

400

540

SUMITEN780Z

t>100mm

655

750～880

一次應力（膜）

一次應力＋二次應力

304

410

380

513

(4)觀測設計

十三陵壓力鋼管及岔管共設A、B、C、D四個觀測斷面，A觀測段面位于2＃壓力鋼管的下平段，靠近彎管，樁號為S2－0＋905.078m～S2－0＋910.078m；B斷面位于A斷面下游約70m處，樁號為S2－0＋980.078m～S2－0＋986.078m；C斷面為2＃岔管，2＃岔管中心樁號為S2－1＋025.528m；D斷面位于1＃壓力鋼管的中平段，樁號為S1－0＋720.044m～S1－0＋726.044。岔管觀測儀器布置綜合考慮其結構特征，在岔管外壁布置了19支鋼板計，1支滲壓計和1支溫度計，共21支儀器。由于該岔管為對稱Y型岔管，因此僅對其右上1/4范圍進行觀測。鋼板計主要布置于岔管的腰線、肋板外緣、支管直段等部位，具體位置詳見圖3。岔管及支管每個測點沿環向和軸向布置兩支鋼板計，肋板處鋼板計則沿其主要受力方向布置。溫度計及滲布計布置在向下45°的管壁。

圖3十三陵抽水蓄能電站岔管觀測布置圖

1.3原型觀測資料分析

十三陵抽水蓄能電站在2＃岔管處埋設有原型觀測儀器，2#岔管于1994年10月21日開始安裝；1994年12月18日回填外圍砼至岔管1/3高度處，因施工需要，為保持混凝土輸送通道，直至1995年10月12日完成全部砼回填。1995年11月12日～1995年11月16日，1#高壓管道充水；1996年11月5日～1996年11月10日2#高壓管道充水；1996年12月12日～1996年12月15日3＃機組作72小時試運行。2＃鋼管充水至今已有8年的觀測成果。現對2＃鋼管首次充水后的觀測成果進行分析。首次充水實際發生的內水壓力5.089MPa，觀測成果見表4。通過以往工程經驗以及西龍池岔管室內結構模型試驗和現場結構模型試驗可知，岔管有限元計算成果與觀測成果有較好的一致性，為便于對十三陵原型觀測成果的分析，對原型岔管在內水壓力5.089MPa下的明管狀態進行結構分析，同時將原型觀測成果與明管狀態的計算成果進行比較，來確定原型各觀測點的應力消減程度。由于十三陵抽水蓄能電站岔管未埋設測縫計，僅在鋼管觀測斷面埋設有測縫計，通過對測縫計成果的分析，平均縫隙值一般在2.5×10-4R（R為鋼管半徑），通過有限元方法對埋藏式岔管圍巖分擔規律的分析可知：縫隙值的大小對岔管與圍巖聯合作用效果的影響較大。在針對觀測狀態進行模擬分析時，參考鋼管觀測斷面測縫計觀測成果，并通過調整縫隙值使岔管計算成果的應力水平與鋼板計觀測成果基本一致，以此進行岔管觀測成果的分析。與儀器對應部位的計算分析成果也列于表4中。

表42#岔管實測應力與計算成果對照表（相應水壓：5.089）

部位

材料

允許應力

板厚

（mm）

儀器編號

實測應力σN（MPa）

明管狀態計算應力σ0（MPa）

應力降低率

（1－σN/σ0）

環向

軸向

環向

軸向

主支管

相貫線

處管殼

(上游側)

SHY685NS－F

320MPa

62

A1-837

A2-737

A3-910

A4-536

A5-848

A6-544

46.4

59.1

113.7

47.9

20.0

-9.9

145

260.2

54

61.3

0.59

0.56

（同上）

下游側

A7-878

A8-946

-8.8

249.4

38.7

肋板外緣

SUMITEN780Z

304MPa

124

A1-1119

A2-551

A3-755

7.0

35.8

70.4

-3.8

22.3

29.7

肋板處管殼

SHY685NS－F

320MPa

A4-857

A5-511

65.7

15.5

支管與

支錐相

貫線處

管殼

SHY685NS－F

320MPa

42

A1-513

A2-893

A3-546

A4-499

A5-884

A6-566

120.5

116.9

149.1

-21.6

13.8

4.32

197.1

181.3

227.8

72.0

26.8

93.1

0.39

0.36

0.35

由表4可見，岔管鈍角區的實測應力與相應壓力下明管狀態計算成果相比，應力減少了56％，支管出口處平均減少36％。通過對原型觀測狀態的模擬分析，當計算分析成果的應力水平與觀測應力水平相當時，計算確定的岔管平均圍巖分擔率為20％左右。通過對原型觀測成果的分析可知，由于圍巖的約束作用，使岔管應力分布趨于均勻。與明管狀態相比，應力分布不僅在空間上趨于均勻，而且岔管管殼內、外壁應力差值即側向彎曲應力也有較大程度的減少，說明圍巖分擔內水壓力作用是相當明顯的。

2日本奧美濃電站岔管觀測資料分析

奧美濃抽水蓄能電站水頭約500m，最大出力1500MW。高壓管道采用一管多機的供水方式，岔管采用內加強月牙肋岔管，且采用圍巖分擔內水壓力設計。

2.1岔管的布置與設計簡述

岔管布置及設計條件見圖4和表5。電站地下廠房及岔管部位地層為白色流紋巖，巖體分類等級主要為CH級，設計采用的圍巖物理力學指標見表6。岔管管殼材料采用HT780鋼，屈服強度為685MPa，肋板村料采用HT780Z鋼。岔管外圍用普通砼回填，分5個階段澆筑，除進行回填灌漿外，為減少縫隙值，還進行了接觸灌漿。

圖4日本奧美濃電站岔管布置圖

表5日本奧美濃電站岔管設計條件

岔管編號

NO.1

NO.2

NO.3

主管內徑(m)

5.5

4.8

3.9

支管內徑(m)

4.8

2.8

3.9

2.8

2.8

2.8

設計內水壓力水頭(m)

747

760

763

設計外水壓力水頭(m)

280

263

211

表6日本奧美濃電站采用的圍巖物理力學指標

分類

彈性模量（MPa）

變形模量（MPa）

泊松比

堅實部分

5000

2500

0.25

松馳部分

1000

500

0.45

觀測儀器主要布置在2＃岔管處，儀器的布置見圖5，為掌握岔管的最大應力，在1＃和3＃岔管也布置了一些應變計。

圖52＃岔管觀測儀器埋設布置圖

2.2觀測成果及分析

根據應變計推算縫隙值K在0～0.4×10-3R（R為鋼管半徑）的范圍，平均值為0.25×10-3R。根據巖體變位推算縫隙值為0～0.4×10-3R范圍內，與應變推算成果基本一致，低于設計取值0.4×10-3R。根據鋼管應變與內水壓力關系曲線推算圍巖分擔率為49～52%。比設計值15％高得多。

2＃岔管應力測試與有限元計算成果對比見圖6，從圖6可以看出，實測值與計算值有較好的一致性，從總體上講，實測值稍小，應力分布均勻。

圖62＃岔管各部位的應力分布

3日本奧矢作第一電站岔管觀測資料分析

日本奧矢作第一電站岔管實測應力與計算值對比見表7，測點位置見圖7。通過日本奧矢作第一電站岔管資料來看，在鈍角區和支管出口位置，實測應力與相應明管狀態下的計算應力分別小52％和26％，且應力分布要比明管狀態均勻得多。

表7日本奧矢作第一電站岔管應力對比表

部位

測點號

實測應力σN（MPa）

計算應力σ0（MPa）

應力降低率（1－σN/σ0）

管

殼

9

10

11

12

13

69.9

84.6

85.3

68.4

68.5

146.2

114.7

92.1

130.1

144.2

0.52

0.26

0.07

0.47

0.54

平均

0.44

肋板

19

85.1

196.6

0.57

圖7日本奧矢作第一電站岔管測點位置圖（單位mm）

4結論

通過對我國的十三陵抽水蓄能電站岔管、日本的奧美濃電站岔管、奧矢作第一電站岔管原型觀測資料的分析，不管是否采用圍巖分擔內水壓力設計，岔管實際受力狀態是通過變形協調作用，實現圍巖與岔管共同承擔內水壓力的。埋藏于圍巖中的內加強月牙肋岔管應力比明管狀態下的計算值小得多，且折角點應力峰值和局部膜應力均比較小，應力分布比較均勻，圍巖對內水壓力的分擔和岔管應力分布的改善作用是相當明顯的。在計算手段、測試技術較完善的今天，埋藏式內加強月牙肋岔管考慮圍巖分擔內水壓力設計已具備要的條件，雖著我國水電事業的發展，岔管趨于大PD值化，岔管制安難度越來越高，采用圍巖分擔內水壓力設計的目的不僅僅是減少鋼板用量，更重要的是減少岔管的制安難度，增加其技術可行性。

參考文件：

[1]王志國高水頭大PD值內加強月牙肋岔管布置與設計《水利發電》2001.1

[2]劉東常劉憲亮《壓力管道》鄭州：黃河水利出版社