對水電站壓力明管淺埋地梁式支墩設(shè)計的探討

熊 燕，馬 奪，周 斌，黃志平

（1.廣東省汕尾市水利水電規(guī)劃設(shè)計院，廣東汕尾516600；2.湖南省寧鄉(xiāng)縣水利水電勘測設(shè)計院，湖南寧鄉(xiāng)410600；3.江西省上饒市水利電力勘測設(shè)計院，江西上饒334000）

對水電站壓力明管淺埋地梁式支墩設(shè)計的探討

熊 燕1，馬 奪2，周 斌1，黃志平3

（1.廣東省汕尾市水利水電規(guī)劃設(shè)計院，廣東汕尾516600；2.湖南省寧鄉(xiāng)縣水利水電勘測設(shè)計院，湖南寧鄉(xiāng)410600；3.江西省上饒市水利電力勘測設(shè)計院，江西上饒334000）

隨著我國水電能源的逐步開發(fā)，低流量、高水頭的水電站日趨增多。高水頭電站的壓力明管穿越線路較長，高差變化較大，地質(zhì)條件也相對復(fù)雜，獨立式支墩在這種復(fù)雜地質(zhì)條件地區(qū)應(yīng)用時會產(chǎn)生一定的沉降問題，而壓力明管對支墩的沉降十分敏感，會產(chǎn)生附加應(yīng)力從而帶來壓力明管的安全風(fēng)險。本文研究和分析了一種新型的淺埋地梁式支墩的基本特性，并對其設(shè)計計算的方法進(jìn)行了一些探討，可供相關(guān)工程技術(shù)人員參考。

壓力明管；地梁式；支墩；倮馬水電站

1 前言

水電是可再生、無污染的清潔能源，開發(fā)利用水電有利于提高資源利用率和經(jīng)濟(jì)社會的綜合效益。在地球傳統(tǒng)能源日益緊張的情況下，世界各國普遍優(yōu)先開發(fā)水電大力利用水能資源。

隨著我國水電能源的逐步開發(fā)，水電能源開發(fā)的重點逐步轉(zhuǎn)向了云、貴、川等西南地區(qū)。我國西南地區(qū)海拔較高，地形起伏大，開發(fā)水能的電站往往具有低流量、高水頭的特性，較多電站采用了壓力明管沿山直下數(shù)百米以獲得較高的壓力水頭的設(shè)計方案。由于鋼管穿越線路較長，高差變化大，致使明管穿越線路的地質(zhì)條件復(fù)雜多變，在這種地質(zhì)條件下常規(guī)獨立支墩容易產(chǎn)生沉降差，使鋼管產(chǎn)生附加應(yīng)力，惡化了鋼管的運行條件。因此有工程師針對復(fù)雜地基條件提出了淺埋地梁式支墩［1］以保證工程安全運行。本文將剖析淺埋地梁式支墩的受力特性，并對淺埋地梁式支墩的設(shè)計計算進(jìn)行一些初步的探討。

2 獨立式支墩的特點及缺陷

傳統(tǒng)支墩通常為獨立式，其上支承的支座通常可分為鞍形滑動支座、平面滑動支座、滾動支座和搖擺支座［2］。獨立式支墩承擔(dān)支座傳來的管重和水重的法向分力、鋼管與支座之間的摩擦力［3］，并將荷載傳遞給地基。為保證支墩能安全地傳遞荷載，獨立式支墩設(shè)計時通常需進(jìn)行抗滑穩(wěn)定驗算、抗傾覆穩(wěn)定驗算和地基承載力驗算［3，4］。

由于獨立式支墩基礎(chǔ)面積小，在上部荷載的作用下基底應(yīng)力有可能較大，致使支墩的沉降變形會偏大，加大了管軸線的豎向變位，易使鋼管產(chǎn)生附加應(yīng)力惡化鋼管的運行條件。因此支墩的地基應(yīng)堅實、穩(wěn)定，宜設(shè)置在巖基上［2］。對地基要求高、對復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性差，是獨立式支墩的一個主要缺點。

3 淺埋地梁式支墩的受力特點和地基計算

淺埋地梁式支墩是在沿管線地表淺層開挖的基礎(chǔ)上澆筑一條通長或分段連續(xù)的鋼筋砼地梁，再在地梁上設(shè)支承鋼管的支座形成的連續(xù)性的支墩結(jié)構(gòu)。通過地梁的作用，使得基礎(chǔ)的受力面積增加，基底應(yīng)力急劇減小，對地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力也隨之大幅降低，從而使沉降變形相應(yīng)減少，達(dá)到能充分適應(yīng)地質(zhì)條件變化的作用。

淺埋地梁式支墩同樣承擔(dān)支座傳來的管重和水重的法向分力、鋼管與支座之間的摩擦力，并將荷載傳遞給地基。淺埋地梁式支墩設(shè)計時通常需進(jìn)行地基承載力驗算和沉降計算。

淺埋地梁式支墩的基底應(yīng)力計算通常取一個連續(xù)段作為計算段，地梁梁身的豎向荷載為地梁自重產(chǎn)生的均布荷載，支座處為上部鋼管傳來的集中荷載。地梁梁底的地基反力可按直線分布法或彈性地基梁法［5］計算，計算所得的地基反力（基底應(yīng)力）的平均值應(yīng)小于修正后的地基承載力特征值fa、最大值應(yīng)小于1.2fa。

淺埋地梁式支墩的沉降變形，可根據(jù)計算的基底應(yīng)力減去自重應(yīng)力得到的基底附加應(yīng)力，地基內(nèi)的應(yīng)力分布采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論計算，再采用分層總和法計算地基變形量，最后用地基變形量乘以沉降計算經(jīng)驗系數(shù)得地基最終變形量［5］。

4 淺埋地梁式支墩的結(jié)構(gòu)計算

淺埋地梁式支墩內(nèi)力計算時可簡化為支座為簡支的受地基反力作用下的倒置多跨連續(xù)梁，計算簡圖如圖1所示。

圖1 地梁受方結(jié)構(gòu)簡圖

淺埋地梁式支墩簡化為倒置多跨連續(xù)梁計算，地梁的跨中一般為負(fù)彎矩（上部受拉），支座附近為正彎矩（下部受拉），應(yīng)根據(jù)正截面受彎承載力計算抗彎極限承載力［6］配置主筋；支座附近是剪力最大的部位，應(yīng)按斜截面受剪承載力計算斜截面抗剪極限承載力［6］配置箍筋和彎起鋼筋；支座坐落在地梁上，應(yīng)驗算支座與地梁頂面接合處的局部受壓承載力［6］。還應(yīng)驗算地梁的裂縫開展寬度［6］以滿足正常使用極限狀態(tài)的要求。

5 淺埋地梁式支墩在云南倮馬水電站壓力管道的運用情況

倮馬水電站［1，7］位于云南省維西傈僳族自治縣巴迪鄉(xiāng)境內(nèi)的倮馬河中下游，為徑流引水式水電站，總裝機(jī)容量2×30MW，年發(fā)電量2.3×108kw ·h，額定水頭為596m，最大靜水頭651m，發(fā)電引用流量為2×5.79m3/s。樞紐主要建筑物有大壩、發(fā)電引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、發(fā)電廠房及升壓站等。

壓力管道位于隧洞出口山坡上，地形上緩下陡，管道全長1220m，山坡角為10～37°。管道沿線出露的巖性為第四系坡積碎（塊）石土、二疊系上統(tǒng)下段a粉砂質(zhì)絹云千枚狀板巖、長石細(xì)砂巖，巖體裂隙和層間擠壓破碎帶發(fā)育，巖體較破碎，沿管線地表巖土層地質(zhì)條件復(fù)雜，差異較大，主管管徑2.0m，采用10～38mm厚Q345C鋼管，鋼管支座間距6.0m。對管道沿線最軟弱的坡積土，取沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψs=0.8、變形計算深度范圍內(nèi)平均壓縮模量Es=6Mpa，獨立支墩和淺埋地梁式支墩方案在不同可壓縮層深度條件下對地基變形的影響見表1。

表1 獨立支墩和淺埋地梁式支墩方案對比（坡角37°）

采用淺埋地梁式支墩后，基底平均應(yīng)力降低為獨立支墩的34%，地基變形量降低為獨立支墩的50%～70%，淺埋地梁式支墩對降低基底應(yīng)力和地基沉降變形的作用較為明顯。倮馬水電站采用的淺埋地梁式支墩結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 倮馬水電站壓力明管縱剖圖

圖3 倮馬水電站壓力明管橫剖圖

倮馬水電站于2007年開工建設(shè)，2010年11月建成并網(wǎng)發(fā)電。電站運行至今正常，未發(fā)現(xiàn)淺埋地梁式支墩有明顯沉降變形，壓力鋼管運行正常。

6 結(jié)語

在地質(zhì)條件復(fù)雜多變的地區(qū)，常規(guī)的壓力管道獨立式支墩由于基底應(yīng)力較大容易產(chǎn)生沉降，加大了壓力明管的附加應(yīng)力，增加了壓力明管的安全風(fēng)險。淺埋地梁式支墩通過地梁的條形基礎(chǔ)作用可使支墩的基底應(yīng)力大幅減小、沉降量得到有效的控制，雖然地梁式支墩的投資與獨立支墩相比有所增加，但大大降低了上承壓力明管的安全風(fēng)險。地梁式支墩的設(shè)計思路，可供類似工程參考。

［1］黃志平.地梁式支墩在倮馬水電站壓力管道中的應(yīng)用［J］.小水電，2012（02）：11-13.

［2］郭瀟，張軍勞，張秀崧.萬家寨水電站淺埋式引水壓力鋼管的設(shè)計［J］.水利水電工程設(shè)計，1998（02）.

［3］SL281-2003.水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］馬善定，汪如澤.水電站建筑物［M］.第2版.北京：中國水利水電出版社，1996.

［5］王仁坤，張春生.水工設(shè)計手冊·第8卷·水電站建筑物［M］.第2版.北京，中國水利水電出版社，2014.

［6］GB50007-2011.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

［7］SL191-2008.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［8］王義邦.云南省維西傈僳族自治縣倮馬水電站可行性研究報告［R］.上饒市水利電力勘測設(shè)計院，2005.

TV732+4

B

1672-2469（2015）12-0000-00

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.039

熊 燕（1986年—），女，工程師。