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第48卷第7期2012年7月
第48卷第7期2012年7月
Vol.48,No.7Jul.,2012
GANSUWATERRESOURCESANDHYDROPOWERTECHNOLOGY
·45·
·设计与研究·
三道湾水电站压力管道衬砌支护方案优化分析
龙岗
(甘肃省水利水电勘测设计研究院,甘肃兰州730000)
摘要:三道湾水电站压力管道设计水头达372.72m,根据工程实际情况,建立压力管道及其围岩的二维有限元模型,计算分析设计内水压力作用下,不同衬砌方案的应力状态。论证初步衬砌方案时,参考工程实例,提出优化的衬砌方案,并通过各种工况下衬砌应力状态的计算分析,验证优化方案的合理性。建议本工程压力管道可采用部分钢筋砼、部分钢板混凝土的衬砌方案,成果可供工程设计参考。
关键词:压力管道;钢板砼衬砌;钢筋砼衬砌;结构应力
中图分类号:TV732+.4文献标志码:B文章编号:2095-0144(2012)07-0045-03
1前言
三道湾水电站位于甘肃省讨赖河上,是冰沟以上98km河道梯级开发的倒数第二级。水电站装机容量90MW,正常蓄水位2356.00m,设计洪水位2356.00m,校核洪水位2357.60m,最低运行水位2348.90m。调压井最高涌浪水位为2387.07m,最低涌浪水位为2305.58m,正常高水位为2325.79m。工程规模为中型Ⅲ等工程。电站设计引水流量36m3/s。主要建筑物抗震按50年基准期超越概率10%的基岩水平峰值加速度0.220g设防。
高压管道为地下埋管,穿过的地层岩性为砂质板岩夹粉砂泥质板岩,岩性软硬相间,以局部稳定性差的Ⅲ类围岩为主,无大的断裂发育,上平段有F28断层通过,竖直段在高程2140~2180m处穿过F16、F17断层,下平段穿越4组条断层,分别为F27、F18、F88、F92,这几组条断层不会对工程施工和安全运行产生大的影响,断层通过附近有不稳定的IV类围岩。
调压井流道段后接方圆渐变段,方圆渐变段后接高压管道,高压管道由上平段、上弯段、竖井段、下弯段、下平段和岔管段组成,主管和叉管之间用三梁肋叉管相连。高压管道上平段长15m,洞径3.8m,其后接长10m的渐变管,洞径由3.8m变为3.3m。上弯段洞径3.3m,弯道半径12.0m。竖井段起点高程2282.40m,终点高程2028.00m,高度254.35m,洞径3.3m。下弯段洞径3.3m,弯道半径12.0m,下平段洞径3.3m。
采用二维有限元方法对三道湾水电站压力管道
进行计算分析,对多种衬砌方案进行论证和比较,提出合理的衬砌方案。
2材料本构模型2.1本构模型
假设钢筋及钢衬为线弹性体,其应力应变呈线性关系,即满足:
σ=Ee
式中:σ——应力;
e-——应变;
E———弹性模量。
混凝土及围岩为弹塑性体,[1.2其应力应变关系满足:
式中:[D]——弹性矩阵;F屈服函数;
在理想弹塑性时A=0。
2.2岩土材料屈服准则
岩石、混凝土等材料都属于颗粒状材料,其受压屈服强度远大于受拉屈服强度,并在受剪切作用下,材料会发生剪胀现象。对于这类材料,通常在有限元分析中采用Drucker-Prager屈服准则。该准则考虑了由于屈服而引起的体积膨胀,但不考虑温度变化的影响,其塑性行为被假定为理想弹塑性。[3]
Drucker-Prager准则表达式为:
收稿日期:2012-06-11
作者简介:龙岗(1971-),男,甘肃临洮人,工程师,主要从事水利水电工程勘测、设计。
2012年第7期甘肃水利水电技术第48卷
·46·
f(I?,J?)=αl?+√J2-k=0
式中:I——应力张量的第一不变量,Y?=0?+0?+σ3;
J?——应力张量的第二不变量
+(o?-o?)2+(o?-σ?)2];其中,α、k是D-P准则参数,其中二
3有限元模型和衬砌材料参数
3.1模型
根据讨赖河三道湾水电站的实际情况和特点,为了简化计算,对高压管道采用平面应变的二维有限元模型。由于该高压管道围岩可视为各向同性材料,管道断面为圆孔,控制荷载条件为内水压力,因此,该问题可视作为轴对称问题,这里取1/2断面建立有限元模型。根据计算要求和一般经验,4在高压管道横截面高宽方向上各取40m建立模型。左边为
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