埋藏式内加强月牙肋岔管已建工程围岩分担内水压力分析
简介： 埋藏式岔管国内外基本按明管设计，围岩分担内水压力仅作为一种安全储备。以往有些工程也不同程度地考虑围岩分担内水压力的潜力，但仅处于经验阶段。本文通过对我国已建的十三陵、日本的奥美浓、奥矢作第一等抽水蓄能电站的内加强月牙肋岔管原型观测资料分析，探讨岔管围岩分担力水压力的规律。 埋藏式岔管通常是按明管设计，不考虑围岩的约束作用，围岩分担内水压力仅作为一种安全储备，以往我国有些工程也不同程度地考虑围岩分担内水压力的潜力，如以礼河三级电站斜井式调压井的分岔结构、渔子溪一级电站三梁岔管等。 由于日本大型抽水蓄能电站比较多，80年代末开始研究大PD值岔管围岩分担内水压力的设计。首先是在奥美浓电站的内加强月牙肋岔管进行尝试，奥美浓电站的1#岔管最大PD=4108.5m2，主管内径5.5m。这种尝试在世界上也属首例。由于是首次尝试，缺乏经验，设计时围岩分担率限制在15%以下，而原型观测结果远大于15%。 在实际运行中，围岩与岔管是联合受力的。埋藏式岔管围岩作用主要体现在两方面：一是在受到内水压力作用时，同地下埋藏式园管一样，围岩分担部分内水压力，减少钢岔管所承担的荷载；二是由于岔管结构变形是不均匀的，受到围岩的约束作用，限制了岔管变位，使其变形均匀化，消减岔管折角点的峰值应力，使岔管应力分布均匀化，便于材料强度的充分发挥。为进一步分析实际工程中，岔管与围岩联合作用的规律，对我国的十三陵抽水蓄能电站的内加强月牙肋岔管原形观测资料进行了分析，并通过三维有限元模拟岔管实际工况与观测成果进行对比分析，同时也对日本的奥美浓抽水蓄能电站、奥矢作第一电站岔管观测成果进行分析，探讨岔管围岩分担内水压力的规律。 1十三陵抽水蓄能电站岔管观测资料分析1.1工程概况十三陵抽水蓄能电站位于北京著名的十三陵风景区，十三陵水库的左岸，电站最大水头481m，安装4台200MW单级混流可逆式水泵组，总装机容量为800MW。第一台机组于1995年末投产，第四台机组于1997年7月1日前并网发电。电站由上水库进／出水口、井、引水隧洞、引水调压井、高压管道、尾水支管、尾水调压井、尾水隧洞、下游进／出水口、井等组成，电站枢纽布置详见图1。引水系统采用一管两机的布置方式，高压管道采用斜井布置，坡度为48°，主管直径为5.2～3.8m，长约为850m，在距地下厂房上游边墙约30m处，布置高压岔管，高压岔管采用内加强月牙肋岔管，设计内水压力为684m。主管直径3.8m，高压支管直径2.7m ，公切球直径4.2m。岔管壳体采用日本进口的SHY685NS－F钢板，最大厚度为62mm，肋板采用和SUMITEN780Z钢板制造，厚度为124mm。
图1 十三陵抽水抽能电站枢纽布置示意图 1.2岔管设计(1) 地形、地质条件压力管道上覆岩体厚度60～300m，岔管部位覆盖岩体较厚约300m左右。压力管道下斜段下部至厂房上游边墙间，除下弯段为安山岩外，主要为复成分砾岩，围岩以Ⅲ类为主，岩石呈微风化至新鲜状态,但因受断层及不同岩层接触带的影响，局部岩体较破碎，属Ⅳ～Ⅴ类围岩。埋设有原型观测仪器的2＃岔管位于Ⅲ类围岩中。根据平板载荷试验和原位模型水压试验确定的物理力学特性和设计采用值见表1。 表1 十三陵钢管围岩物理力学特性试验成果及设计取值
经在地下厂房探洞（埋深250m）实测表明，厂区地应力以自重应力为主，构造残余应力较小。实测最大应力为6～10Mpa，近水平，方向NW300°～310°（厂房轴线方向为NW280°）。 (2) 岔管型式与体形结合十三陵抽水蓄能电站输水系统总体布置，高压岔管采用对称“Y”形内加强月牙肋岔管，分岔角为74°。岔管采用多锥拼焊结构，主管直径3.8m，支管直径2.7m，主支锥腰线折角12°。具体体形及尺寸详见图7-2和表2。 表2 岔管体形尺寸
图2 十三陵抽水蓄能电站岔管体形图 (3) 材料及容许应力十三陵岔管PD值较大，壳板选用SHY685NS－F，肋板有Z向性能要求，肋板选用SUMITEN780Z钢板制造。容许应力依据日本《水门铁管技术基准》（1993年版）取值。另根据JIS B8250《压力容器制造替代标准》，水压试验准态容许应力增 加1.25倍。容许应力见表3。
表3 容许 应 力
(4) 观测设计十三陵压力钢管及岔管共设A、B、C、D四个观测断面，A观测段面位于2＃压力钢管的下平段，靠近弯管，桩号为S2－0＋905.078m～S2－0＋910.078m；B断面位于A断面下游约70m处，桩号为S2－0＋980.078m～S2－0＋986.078m；C断面为2＃岔管，2＃岔管中心桩号为S2－1＋025.528m；D断面位于1＃压力钢管的中平段，桩号为S1－0＋720.044m～S1－0＋726.044。岔管观测仪器布置综合考虑其结构特征，在岔管外壁布置了19支钢板计，1支渗压计和1支温度计，共21支仪器。由于该岔管为对称Y型岔管，因此仅对其右上1/4范围进行观测。钢板计主要布置于岔管的腰线、肋板外缘、支管直段等部位，具体位置详见图3。岔管及支管每个测点沿环向和轴向布置两支钢板计，肋板处钢板计则沿其主要受力方向布置。温度计及渗布计布置在向下45°的管壁。
图3 十三陵抽水蓄能电站岔管观测布置图 1.3 原型观测资料分析十三陵抽水蓄能电站在2＃岔管处埋设有原型观测仪器，2#岔管于1994年10月21日开始安装；1994年12月18日回填外围砼至岔管1/3高度处，因施工需要，为保持混凝土输送通道，直至1995年10月12日 完成全部砼回填。1995年11月12日～1995年11月1 6日 ， 1#高压管道充水；1996年11月5日～1996年11月1 0日2#高压管道充水；1996年12月12日～1996年12月15日3＃机组作72小时试运行。2＃钢管充水至今已有8年的观测成果。现对2＃钢管首次充水后的观测成果进行分析。首次充水实际发生的内水压力5.089MPa，观测成果见表4。通过以往工程经验以及西龙池岔管室内结构模型试验和现场结构模型试验可知，岔管有限元计算成果与观测成果有较好的一致性，为便于对十三陵原型观测成果的分析，对原型岔管在内水压力5.089MPa下的明管状态进行结构分析，同时将原型观测成果与明管状态的计算成果进行比较，来确定原型各观测点的应力消减程度。由于十三陵抽水蓄能电站岔管未埋设测缝计，仅在钢管观测断面埋设有测缝计，通过对测缝计成果的分析，平均缝隙值一般在2.5×10-4R（R为钢管半径），通过有限元方法对埋藏式岔管围岩分担规律的分析可知：缝隙值的大小对岔管与围岩联合作用效果的影响较大。在针对观测状态进行模拟分析时，参考钢管观测断面测缝计观测成果，并通过调整缝隙值使岔管计算成果的应力水平与钢板计观测成果基本一致，以此进行岔管观测成果的分析。与仪器对应部位的计算分析成果也列于表4中。 表4 2#岔管实测应力与计算成果对照表（相应水压：5.089） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
