白莲崖水库引水钢筋混凝土岔管结构特性分析

摘要：利用三维有限元方法，分析了白莲崖水库引水钢筋混凝土岔管在内水压力及外水压力等不同荷载作用下的工作特性。根据有限元计算结果得出岔管结构的配筋率，为工程设计和运行管理提供了理论依据。

关键词：钢筋混凝土岔管有限元衬砌

中图分类号：TU37文献标识码： A

1概述

岔管是水电站输水性统中的重要组成部分，类型较多，其中埋置在地下的岔管一般分为地下埋藏式钢岔管和地下埋藏式钢筋混凝土岔管。近年来，许多电站岔管深埋于地下，具有高水头、大直径的特点。地下埋藏式钢岔管存在着焊接工艺复杂、施工困难及容易失稳等弊端。因而，在地形和地质条件允许的情况下，应尽量采用钢筋混凝土岔管，以充分利用围岩来承担内水压力，减薄衬砌，达到结构安全、经济合理的目的[1]。

由于岔管结构属于体型复杂，对安全性要求较高的结构物，通常对其进行有限元分析。本文根据设计院提供的有关资料，运用大型有限元分析软件对白莲崖水库工程发电引水隧洞的岔管部分进行了三维有限元分析，对岔管的结构特性进行了分析研究。

2工程概况

白莲崖水库工程位于安徽霍山境内淠河上，其发电引水隧洞的岔管部分，为钢筋混凝土衬砌。主管衬后直径6m，衬砌厚度为1m。支管衬后直径为3.8m，衬砌厚度为0.8~1m。岔管为Y型分岔，分岔角为40°。岔管采用的混凝土强度等级为C25，钢筋才用HRB335级钢。岔管处围岩为Ⅰ~Ⅱ类。衬砌顶拱回填灌浆压力取0.3MPa灌浆压力。详细材料信息见下表：

表1材料参数表

3有限元计算

计算软件采用大型通用有限元软件ANSYS7.0。为了保证模型与真实结构的相似性，建摸采用三维实体建摸，围岩和衬砌均采用6面体8节点等参单元进行模拟。

3.1 计算范围选取

对埋藏式钢筋混凝土岔管进行有限元分析时，要对岔管及围岩一起进行分析。由于受到网格划分密度以及计算机容量的限制，在尽量满足计算精度的前提下，要采用较小的范围。常规的遂洞计算在弹性力学里属于无限大弹性体的中央孔口问题。通常情况下围岩的计算范围为孔径的5倍左右[2]。因此，以岔管主管轴线为中心线，前后、左右各取15m的范围。

3.2 计算模型

由于岔管结构体型和作用荷载对称于通过主管轴线的竖直平面，故取岔管的1 /2结构进行计算。模型坐标原点定在支管端面与其轴线的交点上，水平方向为x轴，竖直方向为y轴，支管逆水流方向为z轴。对建立的三维实体模型进行有限元离散，共得到70220个单元。离散域下岩石外边界设置三向约束。计算模型如图1、2所示：

图1围岩及岔管模型剖面图 图3 岔管模型图

3.3 正负号的选取

应力值：正号表示为拉应力，负号表示为压应力。

应变：伸长为正，缩短为负。

位移：向坐标轴正方向的位移为正，向坐标轴负方向的位移为负。

3.4 计算荷载和计算工况

在内水作用时计算荷载主要有：设计内水、衬砌自重、水锤压力。在外水作用时计算荷载主要有：地下水、围岩抗力。

对于不同的内水作用和外水作用进行组合，得到5种典型工况组合。

工况1：正常蓄水位（208m）+水锤压力+外水压力+衬砌自重+围岩抗力；

工况2：外水压力+衬砌自重+围岩抗力；

工况3：发电校核库水位（211.58m）+水锤压力+外水压力+衬砌自重+围岩抗力；

工况4：外水压力+灌浆压力+衬砌自重+围岩抗力；

工况5：库水位（234.5m）+外水压力+衬砌自重+围岩压力和抗力―控制工况。

3.5 计算结果

限于篇幅，本文只对工况5（控制工况）的计算结果进行分析，岔管典型截面的应力和应变分布如下图所示。

图3典型截面位置分布图

⑴应力

图4 衬砌环向应力图图 图5 Ⅰ-Ⅰ截面环向应力图

图6 Ⅱ-Ⅱ截面环向应力图 图7 Ⅲ-Ⅲ截面环向应力图

工况五状况下，岔管主管环向应力为0.6~1.5MPa之间。支管0.6~2.0MPa之间，应力较大值出现在支管平面部分向圆弧部分过渡区域。

⑵应变

图8 环向应变图图9 径向应变图

4成果分析与配筋

工况五下，根据有限元计算结果得岔管主管和支管各截面应力值大小如下表所示：

根据所计算的应力对岔管的主管和支管分别进行配筋，采用规范的拉应力图法进行[3]。经计算得：

岔管主管配筋率μ=0.55

岔管支管配筋率μ=0.63

5结 语

⑴岔管是典型的复杂空间结构,必须通过三维有限元分析才能对地下钢筋混凝土岔管的应力状态和工作性能作出较为正确、全面的认识和判断。本研究通过对岔管进行有限元分析，根据得到的应力结果对截面进行配筋,更可以定量化地指导工程的设计与优化。

⑵对有限元分析结果进行分析发现，在岔管分岔角处的应力值都比较大，存在着明显的应力集中现象。所以在设计和施工时，应对岔管分岔角进行修圆处理，缓解应力集中现象。

⑶在内水作用下衬砌全截面受拉，衬砌内壁的拉应力大于外壁的拉应力。衬砌的最大拉应力均出现在管腰水平位置处。

⑷在外水作用下, 岔管衬砌中各个截面的环向应力多为压应力,衬砌内壁的压应力大于外壁的压应力，小于混凝土的抗压设计强度。因此在进行放空检修时，岔管不会出现受压破坏现象。

⑸为了加强围岩与衬砌的共同作用，对围岩进行回填灌浆和高压固结灌浆，充分利用围岩和混凝土衬砌联合作用抵御内水压力和外水压力，节省工程造价。

参考文献：

[1] 韩前龙等.地下钢筋混凝土岔管应力分析[J].武汉大学学报（工学版），2005，38（3）31～35.

[2] 田斌等.埋藏式钢筋混凝土岔管的有限元计算范围[J].武汉水利电力大学（宜昌）学报，1997，19（4）36～40.

[3] 中华人民共和国水利部.水工混凝土结构设计规范SL/T 191-96[S].北京：中国水利水电出版社，2001.