龍頭石水電站尾水錐管鋼悶頭結構三維有限元分析

童 偉，朱萬強，劉 洋，程 鯤

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072;2.黃河中上游管理局，陜西西安 710000)

1 工程概況

龍頭石水電站位于雅安市石棉縣境內安順場上游約10km處，為大渡河干流規劃調整推薦22級方案的第15梯級電站。電站的主要任務為發電，水庫正常水位955.00m，水庫總庫容為1.38億m3，具有日調節能力。電站裝機容量700MW，為大(2)型水電工程。

由于施工進度安排和防洪度汛要求，擬對尾水錐管高程894.269m處采取鋼悶頭進行封堵。本文采用三維有限元分析計算手段，分析鋼悶頭在尾水荷載的作用下的受力狀態，為鋼悶頭的設計提供一定的依據。

2 鋼悶頭結構有限元分析

2.1 三維有限元模型的建立

為了更加合理的反映尾水管鋼悶頭在尾水頂托作用下的受力狀態，本次分析坐標軸約定:以鋼悶頭面為XZ面;以鉛直向為Y軸，豎直向上為正。

計算模型模擬的范圍為:Y方向(高程方向)為高程896.068～884.248m;XZ方向范圍為整個尾水管的鋼襯。三維有限元計算模型如圖1所示，計算單元類型采用8節點6面體等參單元。

2.2 材料物理參數的選取

本次分析采用三維有限元靜力分析計算。鋼材物理力學參數特性如下:悶頭直徑:D=7.7m

圖1 鋼悶頭有限元計算模型

2.3 計算主要參數及荷載組合

工況1計算尾水位(912.58m):尾水壓力+自重

工況2計算尾水位(905.00m):尾水壓力+自重

2.4 成果分析

2.4.1 位移成果

鋼悶頭在計算尾水位912.58m和905.00m的兩種計算工況下分別承受了18.312m和10.732m水頭的頂托作用。由于鋼悶頭與尾水錐管焊接在一起，在尾水位水頭的頂托作用下，呈現中間向上凸起的特征，其中Y方向的向上變形工況1約為6cm，工況2約為3.5cm。由于周邊的約束，兩種計算工況下鋼悶頭的X和Z方向變形很小。鋼悶頭在工況1下Y方向的位移云圖見圖2所示。

2.4.2 應力成果

兩種工況下，鋼悶頭在尾水荷載的作用下應力規律相似，都表現為引水側受壓，背水側受拉的應力狀態，其中主拉應力最大值出現在支撐鋼悶頭鋼板中間梁的后緣，工況1最大拉應力值約為680MPa;主壓應力最大值出現在鋼悶頭迎水面的未受鋼梁支撐部位的中部，工況 2主壓應力最大值約為205MPa。圖3為工況1下鋼悶頭主拉應力云圖。

圖2 工況1鋼悶頭Y方向的位移云圖(單位:m)

圖3 工況1鋼悶頭主拉應力云圖(單位:Pa)

2.4.3 措施安全性評價

表1為在兩種計算工況下，悶頭鋼板背后鋼梁的應力狀態。

表1 鋼梁最大應力成果 MPa

從表中的成果可以看出，鋼悶頭在18.312m和10.732 m水頭的頂托作用下，悶頭背水面的支撐鋼梁的應力都超過鋼梁自己的允許承載力。故在現有的支撐措施下，鋼悶頭的安全性達不到要求，需要對鋼悶頭進行加固處理。

3 鋼悶頭加固處理措施研究

為了合理的確定鋼悶頭的加固處理措施，在現有的悶頭背水面鋼梁的基礎上采取增加悶頭鋼板背后鋼梁數量或者增加在尾水錐管鋼襯與鋼悶頭之間設置支撐梁的方案。

3.1 采取“增加鋼梁”方案

在悶頭鋼板背后各鋼梁中間增加一道鋼梁，共增加10道鋼梁，具體布置見圖4所示。

圖4 增加鋼梁措施(單位:Pa)

計算工況采用尾水位為912.73m，即在水頭18.462m的情況下，復核悶頭的應力狀態是否滿足要求。增加了鋼梁后，鋼悶頭的位移和應力分布規律如同加固前，但量值上都顯著減小，其中Y方向位移最大值為2.71cm，鋼梁上的主拉應力量值約為330MPa，主壓應力量值約為94MPa。悶頭主拉應力云圖見圖5所示。

圖5 鋼悶頭主拉應力云圖(單位:Pa)

從計算成果得知，鋼悶頭在尾水荷載的作用下，鋼梁的主拉應力值達到330MPa，超過Q235的允許應力值。故增加鋼梁數量的措施，達不到要求。

3.2 采取“增加鋼梁+槽鋼支撐”方案

從以上計算成果看出，單純增加悶頭背后鋼梁數量的措施，鋼梁的主拉應力還是大于允許應力值。故在增加鋼梁加固措施的基礎上增加槽鋼支撐(槽鋼型號為20a)，同時減少悶頭最外邊緣的4根鋼梁。計算模型如圖6所示。計算工況復核在水頭18.462m的情況下，鋼悶頭和支撐槽鋼的應力狀態是否滿足要求。

計算模型的Y方向位移、主拉應力及XZ方向的剪應力云圖見圖7～9所示。

從圖中可以看出，增加了槽鋼支撐后，悶頭的位移和應力分布規律如同加固前，從量值上都有所改觀，其中Y方向位移最大值為0.55cm，鋼梁上的主拉應力量值約為95MPa，主壓應力量值約為29MPa，在xz平面上的剪應力最大值約為30MPa。槽鋼支撐梁應力狀態表現為壓應力，最大主壓應力值為130MPa，滿足要求。

圖6 計算模型網格剖分示意

圖7 豎直方向的位移云圖(單位:m)

圖8 鋼悶頭主拉應力云圖(單位:Pa)

圖9 鋼悶頭xz平面上的剪應力云圖(單位:Pa)

從計算成果可以看出，采取“增加鋼梁+槽鋼支撐”措施后，在尾水荷載的作用下，鋼悶頭的鋼板、背后的鋼梁及槽鋼支撐無論主拉應力、主壓應力還是剪應力都滿足要求。

4 小結

龍頭石水電站尾水錐管鋼悶頭在尾水頂托作用下，利用三維有限元分析手段，較好反映了鋼悶頭及背后鋼梁的受力狀態，并驗證了原先悶頭的加固措施的安全性且提出了合理安全的鋼悶頭加固措施，滿足了工程的需要，同時也為工程上遇到類似問題提供了一定的借鑒作用。