某抽水蓄能電站引水調壓室底部大直徑三梁鋼岔管優化研究

姚敏杰，汪劍國，李高會，王頌翔

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

水電站鋼岔管主要結構型式有三梁岔管、月牙肋岔管、球形岔管、無梁岔管及貼邊岔管五種，其布置形式有對稱Y形、非對稱Y形、三岔形等[1]。鋼岔管通常應用于水電站機組前主管與支管連接部位，起到分散水流、連接不同發電機組的作用，其主管與支管軸線多位于同一水平面內。但在水電站工程的某些特定部位，有時也會根據需要設置一些特殊形式的鋼岔管。例如在水電站調壓室底部與輸水道連接部位，當地質條件不適合布置混凝土襯砌時，鋼岔管則成了連接輸水道主管與調壓室豎井連接管的必然選擇。目前針對這類鋼岔管研究較少。

結合某抽水蓄能電站實際工程情況，對其引水調壓室底部設置的大直徑鋼岔管結構進行研究分析，通過運用ANSYS 數值分析軟件進行三維有限元計算，最終得出合理的設計體型。

1 工程概況

某抽水蓄能電站樞紐工程地質條件復雜，主要表現在地質構造發育、巖層復雜、巖溶發育等，為解決輸水系統沿線滲漏問題，引水隧洞全線（含上平段）采用全鋼襯布置，在上平洞末端設置引水調壓室。調壓室型式為阻抗式，大井直徑18.0 m，阻抗孔直徑4.5 m，阻抗孔小井內套鋼管與上平洞鋼管呈90°垂直連接。因此，必須在該部位設置鋼岔管，其中主管（調壓室上游側鋼管）直徑8.5 m；一支管（阻抗孔連接管）直徑4.5 m，與主管夾角為90°，與主管采用錐形漸變連接；另一支管（調壓室下游側鋼管）直徑8.5 m，與主管在同一軸線上。

該鋼岔管與常規鋼岔管相比具有以下幾個顯著特點：（1）直徑大，主管直徑8.5 m，支管直徑4.5 m，在同規模抽蓄中位于前列；（2）分岔角大，一支管（阻抗孔連接管）與主管垂直連接，分岔角達90°，結構受力不利；（3）地質條件差，隧洞沿線巖溶發育，圍巖抗力不均。

2 有限元計算模型

2.1 岔管設計體型

鋼岔管采用三梁岔管設計，三梁岔管可利用U梁和腰梁作為加強構件，共同起到加固管壁和承受外荷載的作用[2]。鋼岔管體型示意見圖1，包含引水上平洞主管、阻抗孔連接管支管、兩U 梁以及腰梁。其中主管內徑為8.5 m，阻抗孔連接管支管內徑為4.5 m，岔管部位最大內水壓力為0.89 MPa。通過公式估算和工程類比，并考慮該部位岔管的制造加工難度，岔管管壁厚度取30 mm。

圖1 引水調壓室底部三梁岔管體型（單位：mm）Fig.1 The three-girders reinforced branch pipe at the bottom of surge chamber(unit:mm)

2.2 有限元模型建立

根據岔管的體型參數，在大型通用有限元軟件ANSYS 中建立了有限元模型，模型包括主、支管管殼及加強梁。由于管殼及加強梁厚度較薄，屬于板殼薄壁結構，模型均采用四節點殼單元SHELL63。有限元模型在主、支管端部取固端全約束，為了減小固端約束對岔管的局部應力影響，主、支管段軸線長度取最大公切球直徑的1.5 倍以上[3]。鋼岔管計算模型網格離散見圖2～3。考慮到岔管部位圍巖地質條件差，引水調壓室底部三梁鋼岔管按明管設計，即不考慮圍巖的分擔作用，按鋼管單獨承擔水荷載進行計算。

圖2 三梁岔管整體計算模型網格劃分Fig.2 Mesh of the whole model of three-girders reinforced branch pipe

2.3 鋼岔管優化方案擬定

三梁岔管主、支管直徑及管殼厚度一定的前提下，影響三梁岔管結構受力狀態的主要是加強梁的設計參數，包含：加強梁厚度、U梁和腰梁外露高度以及U梁內伸高度[4]。為分析加強梁各設計參數對岔管結構受力的影響，得到最優設計體型，擬定以下計算方案進行有限元計算分析。各計算方案及相關參數如表1所示。

表1 三梁岔管計算方案及相關參數Table 1 Calculation schemes and parameters of three-girders reinforced branch pipe

為了減小岔管管殼及加強梁尺寸，三梁岔管管殼和加強梁均采用600 MPa 級高強鋼。鋼材容重γs=7.85×10-5N/mm3，彈性模量Es=2.06×105MPa，泊松比vs=0.30，相應的抗力限值按照規范NB/T 35056-2015[1]《水電站壓力鋼管設計規范》確定，具體數值詳見表2。

表2 鋼材抗力限值Table 2 Allowable stress of steel

圖3 三梁岔管加強梁網格劃分Fig.3 Mesh of reinforced girders

3 計算結果與分析

3.1 計算結果

對表1 中S1～S11計算方案分別建立有限元模型并提取有限元計算結果，得到各方案下岔管管壁及加強梁的位移、Mises應力，計算結果見表3～4。

表3 各計算方案管殼和加強梁最大位移（單位：mm）Table 3 The maximum displacement of the branch pipe and reinforced girders in different schemes(unit:mm)

表4 各計算方案管殼和加強梁最大Mises應力值（單位：MPa）Table 4 The maximum Mises stress of the branch pipe and reinforced girders in different schemes(unit:MPa)

方案S1 不設加強梁，此時岔管最大位移達115.5 mm，管殼表面峰值應力達1 335.3 MPa，遠遠超出局部膜應力+彎曲應力的抗力限值308 MPa。在設置加強梁后，岔管最大位移和應力值明顯下降，說明加強梁作為岔管加強構件，對加固管壁、改善岔管受力有明顯作用。

3.2 加強梁設計參數敏感性分析

3.2.1 加強梁外露高度敏感性分析

對比計算方案S2～S5，得到加強梁外露高度對岔管整體最大位移和應力的影響如圖4 所示。由圖4 可以看出，在加強梁厚度（80 mm）和管殼厚度（30 mm）相同，加強梁都不內伸的情況下，增加加強梁外露高度，管殼和加強梁最大位移基本呈線性減小的趨勢；分布于管殼部位的整體膜應力、局部膜應力、局部膜應力+彎曲應力以及加強梁應力均有所減小，但整體膜應力變化很小，且各方案下整體膜應力均小于相應的抗力限值，不成為控制的應力種類。控制應力主要是局部膜應力+彎曲應力以及加強梁應力，加強梁外露高度達1 600 mm時，管殼和加強梁最大應力同時滿足相應的抗力限制要求。同時可以看到，在梁外露高度增加至1 400 mm后，局部膜應力+彎曲應力幾乎沒變化，說明僅靠增大加強梁外露高度，對改善岔管管殼應力分布效果較為有限。

3.2.2 加強梁內伸高度

加強梁不內伸情況下，外露高度需達1 600 mm，管殼和加強梁最大應力才能同時滿足相應的抗力限制要求，且此時管殼局部膜應力+彎曲應力達到307.8 MPa，距離抗力限值308 MPa裕度很小。考慮到加強梁外伸高度太大時需增大開挖體型和回填混凝土量，對施工便利及經濟合理性不利，選擇對U 梁1 和U 梁2 進行內伸，各加強梁外露高度保持1 200 mm 不變。對比計算方案S2 與S6～S8，得到加強梁外露高度不變時，U梁內伸高度對岔管整體最大位移和應力的影響，見圖5。由圖5 可以看出，在加強梁厚度（80 mm）和管殼厚度（30 mm）相同、且加強梁外露高度1 200 mm 不變的情況下，增加U 梁1 與U 梁2 的內伸高度，管殼和加強梁的最大位移、應力減小均較為明顯。對比圖5 與圖4 的變化趨勢，說明增大U梁內伸高度比增大外露高度對改善岔管整體應力分布更明顯，各加強梁外露高度保持1 200 mm不變時，U梁內伸400 mm，管殼和加強梁最大應力同時滿足相應的抗力限制要求，且此時都留有一定的安全裕度。

圖4 加強梁不同外露高度岔管最大位移和應力曲線Fig.4 The maximum displacement and the stress of branch pipe with different exposure height of reinforced girders

圖5 加強梁不同內伸高度岔管最大位移和應力曲線Fig.5 The maximum displacement and the stress of branch pipe with different internal extension height of reinforced girders

3.2.3 加強梁厚度

加強梁厚度直接影響加強梁的整體剛度和應力分布，對比計算方案S2與S9～S11，得到加強梁厚度對岔管整體最大位移和應力的影響如圖6 所示。由圖6 可以看出，在加強梁外露1 200 mm、不內伸且管殼厚度（30 mm）相同的情況下，增大岔管加強梁壁厚，管殼和加強梁的最大位移、應力均呈減小趨勢，但可以看到，加強梁厚度由90 mm 增至100 mm時，分布于管殼部位的局部膜應力+彎曲應力基本沒變化。加強梁厚度需增至100 mm，管殼和加強梁最大應力才能同時滿足相應的抗力限值要求。考慮加強梁厚度增加不僅不經濟，還會增加焊接安裝的施工難度，故加強梁厚度采用80 mm。

圖6 加強梁不同厚度岔管最大位移和應力曲線Fig.6 The maximum displacement and the stress of branch pipe with different thickness of reinforced girders

3.3 推薦方案

通過對加強梁外露高度、內伸高度、厚度這三個關鍵設計參數對岔管整體受力影響的敏感性進行分析，得出增大這三個設計參數值均能一定程度改善岔管管殼和加強梁的應力分布。其中增加U 梁內伸高度對改善控制性管殼部位的局部膜應力+彎曲應力，加強梁本身應力大小效果尤為明顯，且更為經濟合理。綜合以上分析，采用方案S7 作為岔管的推薦設計體型，即加強梁外露高度1 200 mm、U 梁內伸高度400 mm、加強梁厚度80 mm，該方案下岔管管壁及加強梁的位移、Mises應力分布見圖7。

圖7 方案S7三梁岔管位移、應力分布圖Fig.7 The displacement and stress distribution of branch pipe in scheme 7

從變形來看，受加強梁的約束作用，鋼岔管沿主管水平兩側向外膨脹，在U梁及腰梁相交部位的主管中部位移比較大，其中岔管管壁最大位移為12.8 mm，加強梁最大位移為7.5 mm。從應力來看，鋼岔管管壁中面的較大Mises應力出現在主管與錐管、錐管與支管交界處，但最大值155.0 MPa 遠小于相應的局部膜應力抗力限值261 MPa；鋼岔管管壁表面Mises 應力最大值出現在主管與錐管交界處，數值大小為292.7 MPa，小于相應的抗力限值308 MPa；加強梁Mises應力最大值出現在U梁內側中部，數值大小為238.3 MPa，小于相應的抗力限值261 MPa。

4 結語

通過對某抽水蓄能電站引水調壓室底部大直徑三梁岔管進行三維有限元計算與加強梁體型參數敏感性分析，推薦了合理可行的三梁岔管結構體型，結論如下：

（1）調壓室底部三梁岔管主管與支管垂直，最大應力主要出現在支錐管與主管交界處，為改善岔管受力，在支錐兩側布置兩U 梁、主管底部布置一腰梁共同組成岔管的加強構件體系。

（2）增大加強梁外露高度、U 梁內伸高度及加強梁厚度均能一定程度上減小岔管管殼及加強梁應力，但增加U梁內伸高度更能有效改善分布于岔管主管與支錐管連接部位的局部膜應力+彎曲應力以及加強梁應力，這兩處應力是岔管體型設計的控制應力。

（3）推薦采用方案S7（加強梁外露高度1 200 mm、U梁內伸高度400 mm、加強梁厚度80 mm），該方案下岔管管殼及加強梁應力分布合理，均滿足相應抗力限值要求。