刘 锋,石亮亮,周荣磊,张子奇

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)

丰满水电站重建工程压力钢管过缝措施研究

刘 锋,石亮亮,周荣磊,张子奇

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)

丰满水电站压力钢管采用垫层式浅埋管,后接坝后式厂房.由于大坝和厂房高度不相同,两部分地基的沉陷也不同,另外在温度等荷载作用下,很容易在厂坝连接处出现应力集中和破坏.由于设置伸缩节不仅提高了工程造价,也给伸缩节的制安、维修等带来很多麻烦.因此该工程提出了取消伸缩节,而采用垫层管过缝的结构形式.文中主要研究采用垫层管过缝时,厂坝分缝处两侧相对位移能否满足要求,钢管与混凝土结构的应力状态能否满足要求.

垫层式浅埋管;三维有限元;钢管过缝措施;丰满水电站

1 概述

丰满水电站位于吉林省吉林市的第二松花江干流上.电站枢纽建筑物主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、坝后式引水发电系统及利用的原三期电站组成.

丰满水电站引水建筑物布置在20～25号坝段,电站采用单机单管引水形式,压力钢管直径8.8 m,单机引用流量390.23 m3/s,管内流速6.42 m/s.压力钢管采用垫层式浅埋管,钢管斜管段与坝面平行,管顶外包混凝土最小厚度1.50 m.大坝施工时采用预留钢管槽方案,预留槽宽度和深度均为11.8 m,采用C30F200混凝土回填,管顶混凝土外缘与大坝下游面齐平.厂房采用坝后式厂房,机组安装高程187.00 m.

2 计算方案及荷载组合

2.1 垫层及灌浆方案拟定

厂坝分缝处采用垫层管代替伸缩节,垫层包角为360°,其总长度为8.8 m,自厂坝分缝处向上游铺设5.8 m,垫层厚度为30 mm,弹性模量2 MPa.厂坝过缝处的处理措施通常是待大坝与厂房自重沉降基本完成以后,再焊接垫层管的预留环缝,并将厂坝分缝灌浆到一定高程,或者不做分缝的灌浆处理.

根据厂坝过缝处的灌浆高程,拟定了三种方案进行分析比较:

方案一厂坝分缝处分缝至大坝建基面,大坝与厂房混凝土在分缝处完全分开,假定大坝与厂房是两个相互独立的结构,互不影响.

方案二:厂坝分缝处灌浆至管道底部,根据施工加载顺序,先分缝,待大坝建成且自重变形基本完成后,再进行灌浆.

方案三:厂坝分缝处灌浆至管道顶部,大坝与厂房通过灌浆完全连为一体,此种结构形式,考虑键槽的作用后,假定厂坝间既能传递水平推力又能承受剪力.

方案三:保证了厂坝的整体性,对钢管的受力有利,但由于厂坝之间相互作用大,对厂房的变形影响较大,故在实际工程中该方案很少被采用.文中主要针对方案一和方案二进行计算比较分析,研究不同灌浆高程,对厂坝分缝处结构的相对位移以及钢管和混凝土的应力状况的影响,通过对比论证确定可能的最优方案.

2.2 计算工况与荷载组合

厂坝分缝处灌浆高程的选择,关键问题是灌浆之后的结构形式能否使厂坝分缝处大坝与厂房的相对位移满足要求,同时使钢管与混凝土结构的应力状态满足要求.计算分析时,对各工况进行荷载组合,共分成七个工况进行研究.具体情况详见表1.

表1 钢管过缝措施研究计算方案与荷载组合

3 静力计算成果分析

3.1 结构变形分析

1)垫层管位移.相同工况下,同一断面相对位移按 90°(管顶)、0°和 180°(管腰)、270°(管底)逐渐减小.温降荷载使得分缝两侧结构相互分离,而其它工况下,分缝两侧相互靠拢.坝体侧沉陷位移一般大于厂房侧,但温降荷载作用下,厂房侧沉降位移大于坝体侧.故灌浆方案一与灌浆方案二,均是在温升组合工况下分缝两侧各方向的相对位移达到最大.灌浆方案一厂坝分缝处水流向和铅直向位移均大于灌浆方案二.可见在厂坝过缝处,灌浆至一定高程对减小分缝处厂坝相对位移是有利的.

2)机墩和下机架基础位移.完建工况下,厂房主要是整体向上游变形;另外机墩在整体向下变形的基础上,还带有向上游倾斜的趋势.正常运行工况下,大坝带动基础向下游变形,使厂房也向下游变形,且灌浆方案二大于灌浆方案一,说明灌浆高程越高,对厂房变形的影响越大.灌浆高程较低时(灌浆方案一),对减小机墩定子和下机架基础面的径向位移较为有利,但对减小机墩定子基础和下机架基础面的倾斜度较为不利.故从厂房整体变形有利的角度来讲,建议采用灌浆方案二.

3.2 结构应力分析

1)钢管应力.灌浆方案一厂坝分缝处钢管应力基本均大于灌浆方案二,两个方案都是在温升组合工况下分缝处钢管应力达到最大.灌浆方案一和灌浆方案二,厂坝分缝处的钢管应力最大值分别为131.07 MPa和120.87 MPa,都小于钢材的抗力限值209.8 MPa.灌浆方案二对钢管受力较为有利.

2)管道混凝土应力.两个灌浆方案管道混凝土断面顶部与底部环向应力为拉应力,且在顶部内侧达到最大,两腰部均为压应力.断面环向应力按灌浆方案一、灌浆方案二依次减小.有垫层部位混凝土环向拉应力均小于无垫层部位断面.两个灌浆方案下管道混凝土轴向应力均为压应力,两种方案相比,灌浆方案二的轴向压应力大于灌浆方案一.可见适当提高厂坝分缝处灌浆高程,可以改善分缝处钢管和混凝土结构的受力状态.

4 地震组合工况成果分析

4.1 位移分析

1)垫层管位移.同一断面相对位移规律与静荷载基本一致,即在同一断面上,管顶、管腰、管底分缝两侧相对位移依次减小,具体表现为顺水流向分缝两侧相互靠拢,坝体一侧沉陷位移大于下游厂房一侧.相对于正常运行工况,各灌浆方案相对位移值有所增加,但是增加程度不大,这是因为厂坝分缝处高程较低,地震产生的位移比较小.

2)机墩和下机架位移.机墩整体在水流向位移为正值,两种灌浆方案下地震荷载对厂房变形影响较小,机墩定子和下机架基础面的径向位移受地震荷载影响也较小.地震作用引起的机墩铅直向不均匀变位对这两个灌浆方案均不大.在地震组合工况下,两种灌浆方案都可满足要求.

4.2 应力分析

1)钢管应力.地震组合工况下,灌浆方案一厂坝分缝处钢管应力最大达146.20 MPa;灌浆方案二厂坝分缝处钢管应力最大达130.44 MPa,都小于钢材的抗力限值209.8 MPa,说明在地震组合工况下,采用灌浆方案一、二钢管应力均可以满足要求.

2)混凝土应力.地震组合工况下,钢管下平段混凝土应力分布规律与正常运行工况基本一致,拉应力数值和区域有所增加,压应力数值和区域有所减小.

5 结语

1)与灌浆方案二相比,灌浆方案一厂坝完全分离,大坝与厂房相对位移较大,机墩定子基础和下机架基础面的不均匀铅直向变位(直接影响到机组主轴偏移)较大,但相对径向位移较小.

2)无论是在常规荷载作用下还是地震荷载作用下,适当提高厂坝分缝处灌浆高程可以减小垫层管、机墩和下机架的相对位移,改善分缝处钢管和混凝土结构的受力状态,因此综合比较厂坝分缝处的施工条件、技术经济特点后认为采用灌浆方案二较优.

3)计算结果表明,丰满水电站在厂坝分缝处上游侧长度为5.8、下游侧长为3.0 m的管段设置垫层以代替伸缩节,技术上是完全可行的.

TV732.4+1 < class="emphasis_bold">[文献标识码]B

B

1002-0624(2017)11-0053-03

2017-05-04