浅析埋藏式钢岔管围岩承担比受围岩弹性抗力系数影响的研究

摘要：随着水电站压力钢岔管HD的不断增大，钢岔管按照传统方法计算所需壁厚越来越大，在材料性能不断提升的前提下，简单的提高壁厚能够解决高水头大HD值的问题，但又带来材料性能浪费和钢材制安难度的加大。考虑围岩和钢岔管共同承担内水压力，可以有效减小钢岔管壁厚，降低钢材制安难度。通过选择合理的围岩承担比，达到降低岔管壁厚的目的，研究表明，围岩弹性抗力系数越大，围岩分担作用越明显。

关键词：压力钢岔管； 围岩承担比； 围岩弹性抗力系数

中图分类号：P2文献标识码： A

一、前言：

地下埋藏式钢岔管的设计中，若埋深足够，可以考虑围岩抗力的影响。现行的设计方法规定，按照埋管进行钢岔管设计时，平均围岩承担比宜小于30%。在设计工程运用过程中，对于围岩的弹性抗力系数如何影响围岩承担比缺乏深入的研究，鉴于此，作者在前人工作的基础上，采用三维有限元对某抽蓄电站的埋藏式钢岔管进行结构计算分析，总结围岩弹性抗力系数对围岩承担比的影响关系，以达到指导工程实际的目的。

二、工程概况

某抽水蓄能电站输水发电系统采用二洞四机布置，额定水头478m，埋藏式钢岔管最小埋深290m，岔管前主管直径4.6m，支管直径3.2m。岔管处内水静水头近602m，正常运行情况下最高压力值8.37MPa。

2.1岔管体型参数

本电站压力钢岔管采用对称内加强月牙肋形式，受力条件好，适用范围广。岔管采用一个过渡锥，最大公切球半径2.65m。岔管主要结构参数见表1。

表1岔管体型参数

项目 参数 项目 参数

主管内半径/（m） 2.3 主管C半锥顶角/（°） 11.5

支管内半径/（m） 1.6 主管C过渡锥半锥顶角/（°） 5

分岔角/（°） 70 支管A/B半锥顶角/（°） 17

公切球扩大率 1.15 支管A/B过渡锥半锥顶角/（°） 6

主管管壁厚度/（mm） 56/56/56 肋宽比 0.33

支管管壁厚度/（mm） 56/52/48 肋板厚度/（mm） 130

注：表中管壁厚度分别为基本锥/过渡锥/直管段管壁厚度

2.2材料参数

岔管钢材材料参数：采用800MPa级高强钢材，容重s=7.8510-5N/mm3，钢材弹性模量Es=2.06105N/mm2，泊松比s=0.30，线膨胀系数s=1.210-5/C。允许应力[σ]=265MPa（管壁整体膜应力区）、[σ]=359MPa（管壁局部膜应力区）、[σ]=248MPa（肋板局部膜应力区）、[σ]=336MPa（肋板局部膜应力区）。

2.3计算方案及假定

本文主要对岔管正常运行情况进行计算，计算方案0对应明管方案，计算方案1―7考虑不同的围岩弹性抗力系数，按围岩与钢衬联合承载进行计算。计算方案列于下表2。

表2计算方案

计算参数 明管 埋藏式岔管（1―7）

方案0 方案1 方案2 方案3 方案4 方案5 方案6 方案7

管壁厚度/（mm） 56 56 56 56 56 56 56 56

肋板厚度/（mm） 130 130 130 130 130 130 130 130

内水压力/（MPa） 8.37 8.37 8.37 8.37 8.37 8.37 8.37 8.37

计算缝隙值/（mm） 1.38 1.38 1.38 1.38 1.38 1.38 1.38 1.38

围岩单位弹性抗力

系数K0 (MPa/cm) - 10 20 40 60 100 200 300

注：①表中管壁厚度为基本锥管壁厚度②计算缝隙值根据工程经验类比取δ=6×10-4r

对埋藏式岔管计算时，目前采用的基本假定有：①围岩各向同性；②内水作用下，混凝土开裂仅传递内水荷载；③不考虑围岩次生应力影响；④围岩与回填混凝土只对钢岔管管壁正的法向位移起弹性约束作用，将这种作用简化为具有法向刚度K0的接触单元，即作用在围岩上的径向力满足P=K0・δ的条件，δ为围岩的径向位移；⑤假定围岩初始缝隙值沿岔管圆周均匀分布，值为同一值。

三、计算模型

岔管模型进行了网格剖分，网格单元总数4257，节点个数4203，为有效模拟围岩与钢岔管之间联合作用，建立围岩与钢岔管之间的接触单元，接触单元仅对钢岔管管壁法向位移起弹性约束，法向刚度为K0。由于接触单元在间隙为零时才起作用，因此即使材料还是线弹性的，变形还是在小变形范围内，但在加载过程中不能预测间隙是扩大还是缩小，打开或是关闭，所以结构有限元模型的行为应属于边界接触非线性问题，其计算要进行非线性迭代。钢岔管及接触单元计算网格见图1，其中接触单元由于尺寸与钢衬网格单元距离过小显示不明显。

图1网格单元

计算成果与分析

根据钢管规范，钢岔管计算应力应满足第四强度理论，因此本文应力成果以Von Mises应力整理，并引入围岩平均分担率作为评价围岩承载程度的标准，用来反映岔管整体围岩分担内水的大小。围岩平均分担率计算公式如下：

（式1）

式中：

λ―岔管平均围岩分担率；

σ―埋藏条件下岔管管壳环向膜应力平均值，可通过有限元结构分析确定；

σ0―明管状态下岔管管壳环向膜应力平均值，可通过有限元结构分析确定。

由计算，埋藏式岔管围岩承担比见表3。其中方案0对应围岩单位弹性抗力系数K0为0，表中岔管应力均以Von Mises应力整理。

表3围岩承担比

方案 岩体单位弹性

抗力系数K0

(MPa/cm) 管壁中面 外表面 外表面

σ

(MPa) σ0

(MPa) λ

(%) σ

(MPa) σ0

(MPa) λ

(%) σ

(MPa) σ0

(MPa) λ

(%)

方案0 0 317.0 317.0 0 316.5 316.5 0 324.0 324.0 0

方案1 10 291.6 8.0 290.0 8.4 299.2 7.7

方案2 20 273.7 13.7 271.8 14.1 281.6 13.1

方案3 40 248.1 21.7 245.9 22.3 256.3 20.9

方案4 60 230.5 27.3 228.2 27.9 238.9 26.3

方案5 100 208.0 34.4 205.6 35.1 216.5 33.2

方案6 200 181.0 42.9 178.5 43.6 189.7 41.5

方案7 300 168.7 46.8 166.2 47.5 177.3 45.3

围岩单位弹性抗力系数与围岩承载比关系曲线见图2。

图2围岩承担比与围岩单位弹性抗力系数关系曲线

四、结语

通过计算，对影响埋藏式钢岔管围岩承担比因素之一的围岩抗力系数进行了分析，有如下结论：

（1）岩体单位弹性抗力系数越大，围岩承担内水压力越大。围岩承担比与弹性抗力系数呈非线性关系，岩石弹性抗力系数较小时，围岩承载比受岩体弹性抗力系数的影响较大，但随岩体弹性抗力系数的增大，围岩承载比增长趋势减缓。

（2）对于本工程实际，当单位弹性抗力系数超过70MPa/cm时，围岩承担比达到约30%。工程实际中，围岩类别越好，弹性约束作用就越明显，围岩分担内水压力作用的比例就越大。地质勘探工作的准确性尤为重要，埋藏式钢岔管围岩承担比分析时，应取用尽可能准确的围岩参数，以达到经济和安全的目的。

（3）建议实际工程的埋藏式钢岔管设计采用钢衬围岩联合承载计算，以充分利用围岩抗力，降低工程造价，降低钢材制安难度。