张凤来

(辽宁省喀左县凌河保护区管理局，辽宁 喀左 122300)

1 工程背景

蒲石河抽水蓄能电站位于辽宁省丹东市宽甸境内，与丹东市的距离约60 km。电站的装机总容量为1200 MW，建成后可以充分发挥东北电网的调峰、填谷和事故备用等任务，对提高东北电网的安全运行水平具有重要意义[1]。电站由上水库、下水库、输水系统、地下厂房等组成。引水系统由上述库进/出水口、引水隧洞和压力钢管组成，采用两洞四机布置。其中，压力钢管的单管内径为4.0 m，设计引流量为33.35 m3/s，最大流速为2.65 m/s。压力钢管由16MnR钢制作。压力管线下层主要铺设砂砾石土，在开挖的沟槽底部设置有厚度为40 cm的钢筋混凝土垫层，两侧和顶部利用开挖的砂砾石料回填，平均回填深度2.0 m。

2 ANSYS有限元模型

2.1 有限元模型的构建

对于水电站压力钢管的设计，规范规定对于复杂结构压力管道宜用有限元法进行计算[2]。近年来，随着计算机技术的迅速发展以及大型有限元软件的应用，使水电站地下输水管道的应力和位移分析实现可视化。在现有有限元分析软件中，ANSYS 功能强大，可以用于各种工程实际问题的求解，因此研究中选用ANSYS软件进行背景工程有限元模型的构建[3]。

在研究中以蒲石河抽水蓄能电站1号压力钢管进口段进行加固方案分析，利用ANSYS大型单位有限元分析软件进行计算模型的构建。该段钢管的管壁厚度为12 mm，加劲环的间距为4.0 m。利用该段钢管的几何尺寸建立模型。在模型的构建过程中，首先建立钢管和加劲环模型，再添加模型底部的钢筋混凝土垫板，最终形成整体模型[4]。

在ANSYS软件中，提供了十分丰富的网格单元类型，这些单元结构随物理和力学参数的不同而不同，因此需要结合水工结构的物理力学参数选择合适的模型单元[5]。例如在三维实体结构中应该选择3D实体单元。这类单元具有单个维度的自由度，可以对几何实体的真实结构进行较好的模拟。基于此，选择SHELL181四节点等参壳体单元进行钢管和加劲环的模拟，利用8节点等参单元SOLID65进行垫层混凝土的模拟[6]。利用上述两种单元对模型进行网格单元划分，共获得12 231个网格单元，14 465个计算节点，有限元模型示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

2.2 边界条件与计算参数

在压力钢管加固方案的有限元分析过程中，采用弹塑性本构模型[7]。对于计算模型的边界条件，压力钢管和底部钢筋混凝土垫板结构应分为位移和应力边界。在钢筋混凝土垫板的底部施加位移边界条件，也就是对垫板底部的单元施加全位移约束，对模型的两侧施加水平位移约束。在钢管和混凝土垫板的左右两侧施加应力边界条件，并主要考虑土压力对钢管以及钢筋混凝土垫板的作用。对于钢管周围的土压力计算，分别用竖向压力和水平压力表示[8]。其中，竖向压力沿钢管水平直径方向均布，并以管顶的土压力为基准；水平土压力以钢管侧面直径部位的土压力为基准，并沿竖向直径方向均布，在计算过程中均以郎肯主动土压力公式计算。

加劲环钢管的几何尺寸上文已有明确叙述，这里不再重复。此次工程设计的回填土为细粒土含量大于12%的砂砾石。原状土的标准贯入锤击数大于50，由于土体的性质容易受到各种环境因素的影响而改变，因此以压实系数为85%，变形模量为2 MPa为参数进行计算。基于上述分析，研究中采用如表1所示的具体计算参数。

表1 工程材料计算参数

3 加劲环钢管加固措施

3.1 工程加固参数范围计算

在实际工程设计过程中，直径和厚度是压力管道设计的两个重要参数，在确定过程中需要综合考虑工程和经济需求。在此次研究中首先结合工程勘察报告与初步设计方案中的相关参数，利用构建的有限元模型对其极限承载力进行试算，并将其作为最佳加固方案的选择依据。结合工程实际，设置13 mm、14 mm和15 mm三种不同的管道壁厚以及加劲环间距，试算获取管道的抗外压临界值，结果如表2所示。由表中的计算结果可以看出，当加劲环的间距小于10 m时，管壁的临界外压力值随着加劲环间距的减小有十分明显的增长，当加劲环间距大于10 m时，管壁的临界外压力值随着加劲环间距的减小变化不大。同时，按照背景工程特点和相关规范要求，压力钢管的安全系数值取2.0，其对应的管道抗外压稳定压力值为1.40 MPa。因此，当钢管的壁厚为13 mm和14 mm时，加劲环的间距不应小于4 m，当钢管壁厚为15 mm时，加劲环的间距不应小于5 m。

表2 不同壁厚和加劲环间距抗外压临界值计算成果

3.2 加固方案与评价

由于工程的初始设计为光面埋地钢管，壁厚为13 mm。由上表中的数据可以看出，加劲环间距为15 m时的抗外压临界值仅为0.59 MPa，显然采用光面埋地钢管是不能满足1.40 MPa的规范要求的。因此必须要采取加固措施。在加固方式方面，主要有增加压实系数和增加壁厚两种基本思路。

对于增加压实系数，研究中设定85%、95%和100%三种不同的回填土压实系数，并对其临界外压值进行计算，结果如表3所示。由计算结果可以看出，临界外压值最大的是回填土压实系数95%、加劲环间距4 m方案。同时，从表中还可以看出，压实系数对结果的影响相对较小，而加劲环间距的影响较大。另一方面，渗透水和地层扰动等因素均会对回填土的综合变形模量产生较大的影响，因此，减小加劲环间距方案要明显优于增加回填系数方案。

表3 增加压实系数方案计算结果

在增加壁厚方面，在原有13 mm厚度的基础上，增加14 mm和15 mm两种厚度方案，对临界外压值进行计算，结果如表4所示。由表中的结果可以看出，增加管壁厚度虽然有助于提高临界外压值，但是其影响远没有加劲环间距的影响作用更大。由此可见，减小加劲环间距也明显优于增加壁厚方案。

表4 增加钢管壁厚方案计算结果

综上所述，在埋地钢管加固方面，减小加劲环间距要明显优于增加回填土压实系数和增加钢管管壁厚度。因此，建议在工程设计中采用减小加劲环间距的加固方案。

3.3 经济性分析

背景工程的压力钢管段长为39 m，为了满足压力钢管抗外压承载力的要求，不同壁厚钢管的加劲环最大间距不同。现就不同设计方案的综合造价进行预估计算，结果如表5所示。由表中的计算结果可以看出，在保持原始方案壁厚的情况下，增加加劲环的加固方案下工程经济性方面要明显优于增加管壁的壁厚而减少加劲环个数的加固方案。因此，在工程设计中建议采取保持13 mm的原始设计壁厚不变，间隔4 m设置加劲环的加固方案，不仅可以保证工程的安全性，还具有较好的工程经济性。

表5 不同方案综合造价预估结果

4 结 论

此次研究以蒲石河抽水蓄能电站为例，利用数值模拟的方法探讨了浅埋压力钢管加固方案，并获得如下结论：

(1)随着加劲环间距的增大，钢管的抗外压临界值迅速减小并逐渐趋于稳定。

(2)从抗外压临界值来看，减小加劲环间距要明显优于增加回填土压实系数和增加钢管管壁厚度加固方案。

(3)在保持原始方案壁厚的情况下，增加加劲环的加固方案下工程经济性方面要明显优于增加管壁的壁厚而减少加劲环个数的加固方案。

(4)综和研究结果，建议背景工程压力管道设计中采用保持13 mm的原始设计壁厚不变，间隔4 m设置加劲环的加固方案。