水電站工程埋藏式鋼岔管壁厚分析探討

李 捷 冉建西 徐 燕

（新疆水利水電勘測設計研究院 烏魯木齊 830000）

在水利水電工程設計中，鋼岔管是引水發電系統中設計的重點。因岔管屬于復雜的空間結構，受力復雜，當管材確定時，鋼岔管壁厚取值是否滿足應力變形要求是設計的關鍵環節。

1 工程概況

1.1 基本資料

山口水利樞紐工程由混凝土拱壩、泄水建筑物、發電引水洞、調壓井、高壓管道和水電站廠房等建筑物組成。電站采用“一洞四機”的布置方式，裝機容量220MW，裝機 4臺（2×80MW+2×30MW），多年平均發電量6.43億 kW·h。

發電引水系統由引水渠、進口段、洞身段、高壓管道、調壓井、岔管和支管等組成。設計引水流量365.62m3/s，最大水頭79.4m，系統總長1115m。發電引水洞末端壓力鋼管，通過三次分岔，將一根主管分為四根支管接入主廠房內。岔管采用600MPa高強鋼，1～3號岔管型式采用“卜”形月牙肋；岔管前接主管內徑9.0m；支管為兩大兩小共4根，1號、2號支管內徑3.2m，3號、4號支管內徑5.2m（見圖1）。鋼材力學參數見表1，岔管鋼材允許應力見表2。

圖1 岔管平面結構圖（單位：mm）

鋼岔管均為埋藏式岔管，巖性為厚層—巨厚層狀灰白色二長片麻巖，圍巖分類為Ⅲ類，局部穩定性差。岔管管徑較大，在洞內安裝施工困難。鋼岔管是否考慮圍巖分擔率，是否滿足鋼材在施工及運行中的強度要求，是關注的重點。

1.2 計算參數

圍巖彈性模量Ed=46.2GPa，單位彈性抗力K0=35-40MPa/cm，膨脹系數 αd=1.0×10-6/℃，泊松比 μd=0.25，凈水頭（考慮調壓井最高涌浪水位）92m，設計內水壓力（加水錘壓力）118.4m，水壓試驗壓力130.3m。

2 埋藏式岔管受力分析方法

埋藏式岔管受力不同于明岔管。在埋藏式岔管實際運行中，圍巖與岔管是聯合受力，主要體現在兩個方面：一是在內水壓力作用下，和地下埋藏式圓管一樣，圍巖分擔部分內水壓力，減少鋼岔管所承擔的荷載；二是由于岔管結構變形是不均勻的，受到圍巖的約束作用，限制了岔管的變位，使其變形均勻化，消減岔管折角點的峰值應力，使岔管應力分布均勻化，有利于材料強度的充分發揮。

表1 鋼材力學性能參數

表2 岔管鋼材允許應力 單位：MPa

對埋藏式岔管的設計，可采用不同的應力控制標準進行受力分析。應力控制標準可采用埋藏式條件下、明岔管原則、明岔管條件下岔管結構計算。

為了定量地描述圍巖與岔管結構聯合受力以及其對內水壓力的分擔作用，引入圍巖分擔率：

式中 α——圍巖分擔率；

E1——明岔管結構平均等效應力，MPa；

E2——埋藏式岔管結構平均等效應力，MPa。埋藏式岔管的應力狀態主要取決于圍巖變形參數及縫隙值的大小，合理確定圍巖變形參數及縫隙值是埋藏式岔管設計的關鍵。

近年來通過鋼岔管原型觀測試驗資料分析發現岔管應力并不高，如對湖南的花木橋電站三梁岔管、西洱河二級電站無梁岔管，十三陵抽水蓄能電站內加強月牙肋岔管，日本的奧美濃、奧矢作第一電站內加強月牙肋岔管等，原型觀測試驗資料分析表明：埋藏式岔管應力狀態比明岔管水壓試驗應力或明管狀態有限元計算成果低很多，證明圍巖分擔內水壓力的作用是明顯的。在近幾年的設計中，也逐步有工程考慮圍巖分擔率，如國內第一個考慮圍巖聯合受力設計的江蘇宜興抽水蓄能電站月牙肋岔管（圍巖分擔率20%）、西龍池抽水蓄能電站月牙肋岔管（圍巖分擔率15%～30%）。

因圍巖的約束作用，埋藏式岔管的應力分布和明岔管相比有很大的不同。圍巖彈性抗力系數對埋藏式岔管的變位及應力狀態呈非線性關系。圍巖分擔率隨著圍巖單位彈性抗力增加而增大，但隨著圍巖單位彈性抗力的增加圍巖分擔率增幅減少。岔管縫隙大小對埋藏式岔管應力狀態的影響十分敏感，圍巖分擔率則隨縫隙值增加而下降明顯。如果要使得圍巖分擔率控制在20%～30%范圍，縫隙值應限制在1～2mm范圍內。

當縫隙值較大時，埋藏式岔管的應力狀態接近明管。為確保因回填混凝土、灌漿質量出現嚴重質量問題時，岔管還能安全正常工作，以“明管條件”限制埋藏式岔管圍巖分擔率，也就是說，即使不考慮圍巖分擔內水壓力作用，岔管最大應力也不超過材料的屈服強度。以此來限制管壁及肋板的最小厚度，保證埋藏式岔管的安全性。

山口水利樞紐工程岔管最大的HD值為1065m2，與現有國內已建在建的大型鋼岔管相比，HD值偏小，岔管強度要求不高，不是高強鋼的適用范圍。雖然岔管水頭不高，但管徑相對較大，主管管徑為9m，在水電工程中屬于大管徑鋼管，整體在洞外制作、運輸進洞安裝所需運輸洞開挖尺寸過大，迫使鋼岔管的管徑與壁厚要相匹配，滿足一定的剛度要求，鋼岔管的管材選取強度也不應太低。當采用高強鋼時，用埋藏式條件下應力控制準則，考慮圍巖分擔率勢必使計算壁厚太薄，鋼材在吊裝、運輸過程中，有可能產生較大變形。

山口導流洞工程，圍巖較為破碎，完整性較差，圍巖彈性抗力值變幅較大，導致圍巖分擔率取值多少合適，難以確定。由于鋼岔管在施工中回填混凝土和灌漿施工質量較難控制，在實際運行過程中受各種復雜不利因素的影響，如縫隙值受水溫、圍巖蠕變等因素的影響，縫隙值具有不確定性。關于圍巖分擔內水壓力的作用目前僅處于探索階段，如何考慮圍巖分擔內水壓力的作用，還沒有較成熟的方法。國內外埋藏式岔管一般按明管設計，圍巖分擔內水壓力僅為一種安全儲備，這不僅是由于岔管距廠房較近，按明管設計趨于安全，更主要是沒有一種恰當的設計理論、方法和成功的經驗。埋藏式岔管內加強月牙肋按與圍巖聯合受力設計在我國尚屬初步嘗試，出于工程安全考慮，采用明岔管分析方法。

3 岔管厚度有限元計算分析

采用有限元計算進行結構優化，可以確定明岔管設計不同工況條件下的壁厚及肋板厚度。岔管有限元計算網格劃分見圖2～圖4。岔管厚度計算結果見表3。

經有限元結構優化擬定的岔管體形及壁厚，計算應力均滿足明管運行工況及試驗工況應力控制準則。

圖2 1號岔管整體單元劃分網格

圖3 2號岔管整體單元劃分網格

圖4 3號岔管整體單元劃分網格

4 結語

山口水利樞紐工程為埋藏式鋼岔管，根據該工程的特點：低水頭、大管徑，考慮到管材安裝施工的需要，管壁取值不應太薄。因埋藏式岔管的圍巖分擔率控制值受多種因素影響，不確定性較大。出于安全，最終用明岔管設計，運用有限元計算方法，確定合理的鋼岔管壁厚，滿足應力設計要求。

表3 管壁和肋板厚度 單位：mm

1 姜長飛，鐘秉章.江蘇宜興抽水蓄能電站埋藏式鋼岔管設計//第六屆全國水電站壓力管道學術論文集.北京：中國水利水電出版社，2006.

2 張紅梅.西龍池抽水蓄能電站高壓鋼岔管設計//第六屆全國水電站壓力管道學術論文集.北京：中國水利水電出版社，2006.

3 王志國.埋藏式內加強月牙肋岔管技術研究與應用//第六屆全國水電站壓力管道學術論文集.北京：中國水利水電出版社，2006.