三峽工程水電站廠壩間壓力鋼管取消伸縮節(jié)研究(精)

1、三峽工程水電站廠壩間壓力鋼管取消伸縮節(jié)研究關(guān)鍵詞： 水電站壓力鋼管 取消伸縮節(jié) 三峽工程 仿真計(jì)算 三維有限元法三峽水電站共有 26 臺(tái)機(jī)組，左岸 14 臺(tái)，右岸 12 臺(tái)。廠房蝸殼采用保 壓澆混凝土的結(jié)構(gòu)形式，保壓水頭 70m 。壓力鋼管直徑 D 為 12.4m ，設(shè)計(jì)內(nèi) 水壓力 H為 1.40MPa ，參數(shù)屬世界前列。擋水壩為重力壩，廠房為壩后式， 大壩與廠房之間設(shè)有溫度沉陷縫。如按常規(guī)設(shè)計(jì)，廠壩聯(lián)接處壓力鋼管設(shè)置伸 縮節(jié)以適應(yīng)廠壩間的相對(duì)變形。對(duì)于三峽水電站這樣的巨型管道，伸縮節(jié)的制 造、安裝以及運(yùn)行期的止水等技術(shù) 問題 都較突出。為克服伸縮節(jié)的缺點(diǎn)、節(jié) 省工程投資，國(guó)內(nèi)外很多工程都在設(shè)

2、法取消伸縮節(jié)。三峽工程由于工期緊，工 程量大，也提出了是否取消伸縮節(jié)問題。工程 實(shí)踐 表明，在適當(dāng)條件下，取 消伸縮節(jié)技術(shù)是可行的。但是，每個(gè)水電站的條件各異，這些 經(jīng)驗(yàn) 只能 參 考 ，不能照搬。特別是三峽壓力鋼管 HD 值超過 1700m2，因此需要專門論證 研究。取消伸縮節(jié)后，常用一段外設(shè)軟墊層的鋼管以適應(yīng)廠壩間的相對(duì)位移， 其上、下游兩端分別置于大壩和廠房的混凝土中并隨之變形。影響墊層管應(yīng)力 的因素包括內(nèi)水壓力、 相對(duì)合攏時(shí)的鋼管溫差及兩端相對(duì)位移， 以及墊層傳力 等。其中，兩端位移與大壩、廠房所受荷載和溫度徐變變形、鋼管合攏時(shí)間、 端部的固定形式以及廠房蝸殼結(jié)構(gòu)形式等有關(guān)，在論證研究

3、階段，需通過三維 仿真計(jì)算確定。本文在左岸岸坡和河床部位各選取一臺(tái)機(jī)組為研究對(duì)象，將大壩、廠房 蝸殼和鋼管及部分基礎(chǔ)作為整體進(jìn)行三維有限元仿真計(jì)算，模擬廠房蝸殼混凝 土保壓澆筑過程、水庫(kù)蓄水過程等，考慮了自重、溫度和徐變的影響，對(duì)設(shè)與 不設(shè)預(yù)留環(huán)縫、鋼管合攏時(shí)間、墊層管下游端是否設(shè)止推環(huán)等進(jìn)行系統(tǒng)的分析 比較，為取消伸縮節(jié)的決策提供 科學(xué) 依據(jù)。1 計(jì)算模型及計(jì)算條件1.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型壩頂高程 185m ，建基面高程岸坡壩段 90m 、河床壩段 25m ，廠房建 基面高程 22.2m 。壩體包括鋼管壩塊及實(shí)體壩塊，兩壩塊間為永久橫縫。主廠 房模擬至，上、下游副廠房模擬下部實(shí)體部分，見圖 1

4、。廠壩間分縫的計(jì)算模 型為：岸坡壩段 51m 以下巖坡進(jìn)行接縫灌漿，按傳力考慮；河床壩段下部巖 坡( 22 2m 42m)也按傳力考慮，上部分縫設(shè)軟墊層，按不傳力考慮。1.2 墊層管兩端計(jì)算模型 墊層管長(zhǎng)度 10m ，其中壩內(nèi)長(zhǎng) 5.8m ，廠內(nèi)長(zhǎng) 4.2m 。鋼管厚度 60mm ，考慮銹蝕厚度 2mm ，計(jì)算厚度按 58mm 考慮。墊層 厚度 50mm ，360 全包。兩端固定形式分兩種： (1) 上、下游兩端均設(shè)止 推環(huán)； (2) 上游端設(shè)止推環(huán) ，下游端不設(shè)止推環(huán)，即下游端的下游側(cè) 1.1m長(zhǎng)鋼管段上半圓設(shè)墊層(厚度 30mm)、下半圓摩擦接觸1.3 壓力鋼管合攏時(shí)間為研究選擇有利的合攏

5、時(shí)段，對(duì)鋼管合攏時(shí)間和設(shè)與不 設(shè)預(yù)留環(huán)縫進(jìn)行了敏感性計(jì)算。對(duì)于不設(shè)預(yù)留環(huán)縫方案，湊合節(jié)(位于墊層管 下游端附近)的最后一道環(huán)縫在澆筑該部位混凝土之前合攏，合攏時(shí)間分別按 夏、冬 2 個(gè)季節(jié)進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于設(shè)預(yù)留環(huán)縫方案(預(yù)留環(huán)縫位置距墊層鋼管 段上游端 3.0m)，合攏時(shí)間在廠房混凝土澆筑完畢后(兩個(gè)季節(jié)以上)分別 按春、夏、秋、冬 4 個(gè)季節(jié)進(jìn)行計(jì)算。1.4 上、下游水沙壓力荷載 正常設(shè)計(jì)庫(kù)水位 175m，泥沙高程 1.06m，泥沙 浮容重5kN/m3;下游設(shè)計(jì)洪水位 76.4m。初期運(yùn)行庫(kù)水位 135m，相應(yīng)下游 水位 6.2m。鋼管合攏前后的上、下游水沙壓力荷載按施工進(jìn)度和水庫(kù)蓄水過 程確

6、定。河床壩段的鋼管合攏前，庫(kù)水位已到初期運(yùn)行水位135m。1.5 材料參數(shù)(1)鋼材。鋼管、座環(huán)和固定導(dǎo)葉等鋼材E=210GPa，卩=0.30 ，a=1.2x10-5/C， 丫 =78kN/m3。(2) 墊層。E=2.4MPa，分塊 鋪設(shè)，只法向傳力。(3)蝸殼管壁與混凝土間的摩擦系數(shù) f=0.5 ，不計(jì)凝聚 力。(4)基巖。廠房基巖 E=26GPa ;大壩基巖：河床壩段 E=26GPa;岸坡壩 段建基面以下 5m 和鋼管槽周圍 10m 范圍 E=10GPa， 22mm 以下E=26GPa，其余 E=15MPa。卩=0.23 ，a=0.85x10-5/C，導(dǎo)溫系數(shù) a=0.083m/d。(5) 大壩混凝土。 E=26GPa。卩=0.167，a=0.85x105/C,a=0.083m2/d。(6) 廠房混凝土。卩=0.167 ，a=0.85x105/C,a=0.083m2/d。丫 =24.5kN/m3;彈模、絕熱溫升和徐變度分別見式(1)式(3)。(1)式中：t 為混凝土齡期（d）;T為加荷齡期（d）;Ci（T）=7 .58+183.1/T; C2（T）=1 2 .4+35.3/T。1.6 廠房混凝土澆筑溫度混凝土澆筑層厚 1.5m3.0m，分 4