引水隧洞鋼筋混凝土岔管結構特性分析與配筋優(yōu)化

曲磊

（遼寧省水利水電科學研究院 遼寧沈陽 110003)

埋藏式鋼筋混凝土岔管結構是一種復雜的空間結構。傳統(tǒng)的水工遂洞設計方法是按照結構力學理論，視襯砌為承載主體，圍巖則作為荷載或者僅提供被動抗力施加到襯砌上，沒有利用圍巖的承載作用。事實上圍巖承載潛力巨大，是承載的主體，而襯砌則僅作為保護圍巖，改善過流糙率，以及承載局部不穩(wěn)定塊體和破碎巖體荷載等目的而采取的工程措施。

由于岔管結構屬于體型復雜，對安全性要求較高的結構物，通常對其進行有限元分析。本文根據(jù)相關資料，運用大型有限元分析軟件對某水庫工程的發(fā)電引水隧洞的岔管部分進行了三維有限元分析，對岔管的結構特性進行了研究。

1 工程概況

某水電站按 100年一遇洪水設計，5000年一遇洪水校核。水庫汛期限制水位 205.0m，汛后正常蓄水位208.0m，死水位180.0m。最高發(fā)電水位211.58m，水庫特征水位見表1。工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。

水庫工程的發(fā)電引水隧洞由進水口、上平洞、調(diào)壓井、斜井、下平洞、岔洞以及兩條支洞組成。發(fā)電引水隧洞的岔管部分，為鋼筋混凝土襯砌。主管襯后直徑6m，襯砌厚度為1.0m。支管襯后直徑為3.8m，襯砌厚度為0.8～1.0m。岔管為Y型分岔，分岔角為40°。

岔管采用的混凝土強度等級為C25，鋼筋用Ⅱ級鋼。岔管處圍巖為Ⅰ～Ⅱ類。襯砌頂拱回填灌漿壓力取0.3MPa。

表1 水庫特征水位

2 岔管空間有限元模型的建立

2.1 有限元計算軟件

計算軟件采用具有世界先進水平的大型通用有限元分析軟件ANSYS 9.0。該分析軟件有強大的前、后處理和計算分析功能，并且能有效地保證計算成果精度。該軟件曾完成多項工程的結構分析研究工作，均取得了理想的應用效果。

2.2 岔管結構尺寸

岔管結構尺寸見圖1。

圖1 引水隧洞平面圖

2.3 計算范圍

對埋藏式鋼筋混凝土岔管進行有限元分析時，由于受到網(wǎng)格劃分密度以及計算機容量的限制，在盡量滿足計算精度的前提下，要采用較小的范圍。常規(guī)的遂洞計算在彈性力學里屬于無限大彈性體的中央孔口問題。通常情況下圍巖的計算范圍為孔徑的5倍左右。因此，以岔管主管軸線為中心線，上下、左右各取15m作為分析范圍。

2.4 基本假定和邊界條件

計算段圍巖、混凝土結構等均近似假定為各向同性、均勻連續(xù)的彈性體。離散域下巖石外邊界設置三向約束。

2.5 有限元網(wǎng)格離散

采用空間有限元進行電算（線彈性)。為了保證模型與真實結構的相似性，建模采用三維實體建模，圍巖和襯砌均采用6面體8節(jié)點等參單元進行模擬。對建立的三維實體模型進行有限元離散，共得到70220個單元。有限元模型如圖2～3所示。

2.6 計算坐標系約定

為了便于建模和成果整理，計算中采用整體直角坐標系和局部坐標系，現(xiàn)分別約定如下：

整體直角坐標系：坐標原點定在支管端面與其軸線的交點上，水平方向為x軸，豎直方向為y軸，支管逆水流方向為z軸。

局部坐標系：局部坐標系采用柱坐標系，柱坐標系的X方向指向徑向，Y方向指向環(huán)向。

圖2 圍巖及岔管模型剖面圖

圖3 岔管模型圖

3 有限元計算結果分析

考慮五種荷載組合進行電算，得出岔管在五種工況下的應力和應變分布。本文給出了岔管典型截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ（如圖 4所示)在五種工況下的應力和應變分布圖。

圖4 典型截面位置分布圖

3.1 各工況組合情況

根據(jù)水庫在不同水位情況下的控制運用情況，給出五種荷載組合見表2。

表2 各工況組合表

3.2 各工況計算結果分析

工況一：岔管主管環(huán)向應力為 0.54～1.39MPa之間，支管0.3～2.66 MPa之間。應力較大值出現(xiàn)在兩支管相交部位，較大值5.3Mpa，為應力集中值。

工況二：岔管環(huán)向應力為-2.5MPa～ 1.0MPa之間。壓應力較大值出現(xiàn)在兩支管相交部位頂端內(nèi)部，大小為-4.7Mpa，拉應力較大值出現(xiàn)在兩支管相交部位頂端外部，大小為 0.5Mpa，均為應力集中值。

工況三：岔管主管環(huán)向應力為0.5～1.3MPa之間。支管0.6～4.2MPa之間，應力較大值出現(xiàn)在兩支管相交部位，5.0Mpa，為應力集中值。

工況四：岔管環(huán)向應力為-12.8MPa～1.0MPa之間。壓應力較大值出現(xiàn)在兩支管相交部位頂端內(nèi)部，大小為-12.8Mpa，拉應力較大值出現(xiàn)在兩支管相交部位頂端外部，大小為 1.0Mpa，均為應力集中值。

工況五：岔管主管環(huán)向應力為0.58～1.5MPa之間，支管0.6～3.0MPa之間。應力較大值出現(xiàn)在支管平面部分向圓弧部分過渡區(qū)域，以及兩支管相交部位。

3.3 襯砌各典型斷面內(nèi)力分析

有壓隧洞內(nèi)水壓力對襯砌的內(nèi)力影響最大。當岔管在工況五下，承受的內(nèi)水壓力最大，因此選取工況五為控制工況。根據(jù)有限元計算結果得此工況下岔管各斷面內(nèi)力值如表3所示：

表3 岔管各截面內(nèi)力值

3.4 圍巖特性模量對岔管襯砌應力的影響

控制工況下（工況五)分別取圍巖彈性模量為 1.9×1010Pa、2.15×1010Pa、2.4×1010Pa時，對岔管和襯砌進行計算，分析圍巖彈性模量對襯砌應力的影響。不同圍巖彈模下岔管各控制斷面環(huán)向應力值如表4，圖5所示∶

表4 不同圍巖彈模下岔管各控制斷面環(huán)向應力值

圖5 不同圍巖彈模對岔管環(huán)向應力的影響

3.5 岔管配筋分析

（1)工況五下，根據(jù)有限元計算內(nèi)力結果對岔管混凝土襯砌進行雙層對稱配筋，按混凝土未出現(xiàn)裂縫進行。配筋主管、支管、主支管結合部取內(nèi)力最大斷面π/2、3π/2、π/2斷面，即水平斷面為控制斷面。根據(jù)下式

計算得：

主管配筋率：μ=0.42%

支管配筋率：μ=0.28%

主支管結合部配筋率：μ=0.37%

（2)工況五下，根據(jù)《水工鋼筋混凝土結構設計規(guī)范》（SL/T 191-96)中的拉應力圖性配筋方法進行配筋。配筋主管、支管、主支管結合部取環(huán)向力最大斷面π/2、3π/2、π/2斷面，即水平斷面為控制斷面。根據(jù)式（4)

計算得∶

主管配筋率：μ=0.42%

支管配筋率：μ=0.75%

主支管結合部配筋率：μ=0.45%

綜合1、2計算結果，建議主管配筋率可取μ=0.42%，支管配筋率μ=0.75%，主支管結合部配筋率μ=0.45%。

4 結論

（1)岔管是典型的復雜空間結構,必須通過三維有限元分析才能對地下鋼筋混凝土岔管的應力狀態(tài)和工作性能作出較為正確、全面的認識和判斷。本研究通過對岔管進行有限元分析，根據(jù)得到的應力結果對截面進行配筋，更可以定量化地指導和優(yōu)化工程設計。

（2)對有限元分析結果進行分析發(fā)現(xiàn)，幾種工況下在岔管分岔角處的應力值都比較大，存在著明顯的應力集中現(xiàn)象。所以在設計和施工時，應對岔管分岔角進行修圓處理，緩解應力集中現(xiàn)象。

（3)在內(nèi)水作用下襯砌全截面受拉，襯砌內(nèi)壁的拉應力大于外壁的拉應力。襯砌的最大拉應力均出現(xiàn)在管腰水平位置處。

（4)在外水作用下, 岔管襯砌中各個截面的環(huán)向應力多為壓應力, 砌內(nèi)的最大壓應力也出現(xiàn)在管腰水平位置處。襯砌內(nèi)壁的壓應力大于外壁的壓應力，小于混凝土的抗壓設計強度。因此在進行放空檢修時，岔管不會出現(xiàn)受壓破壞現(xiàn)象。

（5)隨著圍巖彈性模量的增大，圍巖對岔管的約束也隨著增強，圍巖的彈性抗力增加。在內(nèi)水、外水壓力作用下，襯砌的應力和變形，均相應減小。

（6)為加強圍巖與襯砌的共同作用，需對圍巖進行回填灌漿和高壓固結灌漿，充分利用圍巖和混凝土襯砌聯(lián)合作用抵御內(nèi)水壓力和外水壓力，節(jié)省工程造價，獲得更大經(jīng)濟效益。

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