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

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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。
关键字：埋藏式内加强月牙肋岔管 原型观测 围岩分担内水压力

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水轮机组，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、闸门井、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、闸门井等组成，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

试验洞编号

Ⅰ

Ⅱ

位置

电站厂房上游探洞内

压力管道中部支洞内

岩性

安山岩（块状构造）

复成分砾岩（f2张裂带内、平行设置）

围岩类别

Ⅲ_a

Ⅲ_b、Ⅳ、Ⅴ

弹性

模量

（Gpa）

测试结果

平板载荷试验

31.7

平板载荷试验

8.6～16.7

0.4～0.65（破碎带）

平硐水压试验

14.4～18.2

平硐水压试验

3～8.9

设计采用值

6

Ⅲ_b 5 、Ⅳ 2、Ⅴ 0

塑性变形系数

测试结果

平板载荷试验

0.36

平板载荷试验

0.458～0.6

1.24（破碎带）

平硐水压试验

平硐水压试验

0.49～0.52

设计采用值

0.5

0.5

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

项   目

数值

项   目

管

壳

主管内径(m)

支管内径(m)

公切球直径(m)

分岔角(°)

主锥半锥顶角(°)

支锥半锥顶角(°)

壳板厚度（mm）

3.8

2.7

4.2

74

9、4.5

16、8

62

肋

板

肋板高度（mm）

肋板总宽度（mm）

断面最大宽度（mm）

肋宽比

肋板厚度（mm）

4427.4

2681

860

0.29

124

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

规格

屈服强度

σ_s(MPa)

抗拉强度

σ_s (MPa)

应力性质

(MPa)

容许应力(MPa)

永久荷载

水压试验状态

SHY685NS－F

50mm＜t≤100mm

665

760～910

一次应力（膜）

一次应力＋二次应力

320

432

400

540

SUMITEN780Z

 t>100mm

655

750～880

一次应力（膜）

一次应力＋二次应力

304

410

380

513

(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）

部位

材料

允许应力

板厚

（mm）

仪器编号

实测应力σ_N（MPa）

明管状态计算应力σ₀（MPa）

应力降低率

（1－σ_N /σ₀ ）

环向

轴向

环向

轴向

主支管

相贯线

处管壳

(上游侧 )

SHY685NS－F

320MPa

62

A1-837

A2-737

A3-910

A4-536

A5-848

A6-544

46.4

59.1

113.7

47.9

20.0

-9.9

145

260.2

54

61.3

0.59

0.56

（同上）

下游侧

A7-878

A8-946

-8.8

249.4

38.7

肋板外缘

SUMITEN780Z

304MPa

124

A1-1119

A2-551

A3-755

7.0

35.8

70.4

-3.8

22.3

29.7

肋板处管壳

SHY685NS－F

320MPa

A4-857

A5-511

65.7

15.5

支管与

支锥相

贯线处

管壳

SHY685NS－F

320MPa

42

A1-513

A2-893

A3-546

A4-499

A5-884

A6-566

120.5

116.9

149.1

-21.6

13.8

4.32

197.1

181.3

227.8

72.0

26.8

93.1

0.39

0.36

0.35

由表4可见，岔管钝角区的实测应力与相应压力下明管状态计算成果相比，应力减少了56％，支管出口处平均减少36％。通过对原型观测状态的模拟分析，当计算分析成果的应力水平与观测应力水平相当时，计算确定的岔管平均围岩分担率为20％左右。通过对原型观测成果的分析可知，由于围岩的约束作用，使岔管应力分布趋于均匀。与明管状态相比，应力分布不仅在空间上趋于均匀，而且岔管管壳内、外壁应力差值即侧向弯曲应力也有较大程度的减少，说明围岩分担内水压力作用是相当明显的。

2日本奥美浓电站岔管观测资料分析

奥美浓抽水蓄能电站水头约500m，最大出力1500MW。高压管道采用一管多机的供水方式，岔管采用内加强月牙肋岔管，且采用围岩分担内水压力设计。

2.1岔管的布置与设计简述

岔管布置及设计条件见图4和表5。电站地下厂房及岔管部位地层为白色流纹岩，岩体分类等级主要为C_H级，设计采用的围岩物理力学指标见表6。岔管管壳材料采用HT780钢，屈服强度为685MPa，肋板村料采用HT780Z钢。岔管外围 用普通砼回填，分5个阶段浇筑，除进行回填灌浆外，为减少缝隙值，还进行了接触灌浆。

图4 日本奥美浓电站岔管布置图 

表5                          日本奥美浓电站岔管设计条件

岔管编号

NO.1

NO.2

NO.3

主管内径(m)

5.5

4.8

3.9    

支管内径(m)

4.8

2.8

3.9

2.8

2.8

2.8

设计内水压力水头(m)

747

760

763

设计外水压力水头(m)

280

263

211

表6                      日本奥美浓电站采用的围岩物理力学指标

分类

弹性模量（MPa）

变形模量（MPa）

泊松比

坚实部分

5000

2500

0.25

松驰部分

1000

500

0.45

观测仪器主要布置在2^＃岔管处，仪器的布置见图5，为掌握岔管的最大应力，在1^＃和3^＃岔管也布置了一些应变计。

图5   2^＃岔管观测仪器埋设布置图

2.2观测成果及分析

根据应变计推算缝隙值K在0～0.4×10^-3 R（R为钢管半径）的范围，平均值为0.25×10^-3 R。根据岩体变位推算缝隙值为0～0.4×10^-3 R范围内，与应变推算成果基本一致，低于设计取值0.4×10^-3 R。根据钢管应变与内水压力关系曲线推算围岩分担率为49～52%。比设计值15％高得多。

2^＃岔管应力测试与有限元计算成果对比见图6，从图6可以看出，实测值与计算值有较好的一致性，从总体上讲，实测值稍小，应力分布均匀。

图6     2^＃岔管各部位的应力分布

3日本奥矢作第一电站岔管观测资料分析

日本奥矢作第一电站岔管实测应力与计算值对比见表7，测点位置见图7。通过日本奥矢作第一电站岔管资料来看，在钝角区和支管出口位置，实测应力与相应明管状态下的计算应力分别小52％和26％，且应力分布要比明管状态均匀得多。

表7                          日本奥矢作第一电站岔管应力对比表

部位

测点号

实测应力σ_N（MPa）

计算应力σ₀（MPa）

应力降低率（1－σ_N /σ₀ ）

 

管

 

 

壳

9

10

11

12

13

69.9

84.6

85.3

68.4

68.5

146.2

114.7

92.1

130.1

144.2

0.52

0.26

0.07

0.47

0.54

平均

 

 

0.44

肋板

19

85.1

196.6

0.57

 

图7  日本奥矢作第一电站岔管测点位置图（单位mm）

4结论

   通过对我国的十三陵抽水蓄能电站岔管、日本的奥美浓电站岔管、奥矢作第一电站岔管原型观测资料的分析，不管是否采用围岩分担内水压力设计，岔管实际受力状态是通过变形协调作用，实现围岩与岔管共同承担内水压力的。埋藏于围岩中的内加强月牙肋岔管应力比明管状态下的计算值小得多，且折角点应力峰值和局部膜应力均比较小，应力分布比较均匀，围岩对内水压力的分担和岔管应力分布的改善作用是相当明显的。在计算手段、测试技术较完善的今天，埋藏式内加强月牙肋岔管考虑围岩分担内水压力设计已具备要的条件，虽着我国水电事业的发展，岔管趋于大PD值化，岔管制安难度越来越高，采用围岩分担内水压力设计的目的不仅仅是减少钢板用量，更重要的是减少岔管的制安难度，增加其技术可行性。

参考文件：

 [1]  王志国   高水头 大PD值内加强月牙肋岔管布置与设计 《水利发电》2001.1

 [2]  刘东常  刘宪亮 《压力管道》  郑州：黄河水利出版社