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西部某水電站，采用壩式開發(fā)，為混凝土重力壩。最大壩高117.0m，壩長335.0m。電站廠房為壩后式廠房，總裝機(jī)容量為560MW，共4臺機(jī)，單機(jī)容量為140MW。引水建筑物由壩式進(jìn)水口和壓力管道組成。
引水系統(tǒng)采用單管單機(jī)布置，共4條引水系統(tǒng)，單條引水系統(tǒng)長112.8m，其中鋼管段長101.0m。進(jìn)水口攔污柵置于懸出上游壩面的牛腿上，通倉式布置。進(jìn)水口底檻高程為3336.0m，設(shè)一道平板檢修閘門和一道平板快速閘門，孔口尺寸為6.7m×11.3m和6.7m×9.9m。壓力管道采用下游壩面淺埋管布置方案，鋼管內(nèi)徑為8.4m，斜直段鋼管外包混凝土厚度為1.5m，進(jìn)廠房段鋼管直徑漸變?yōu)?.6m。工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ，壩址區(qū)50年超越概率10%的地震動峰值加速度為176gal，工程廠址區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性較差。
本文通過數(shù)值有限元分析方法對引水系統(tǒng)通過多方案對比、多工況的分析，從而對引水系統(tǒng)的布置選擇提出結(jié)論性意見，并對建筑物結(jié)構(gòu)措施提出指導(dǎo)性意見，以求結(jié)構(gòu)更加合理、安全。
壩后式廠房早期工程采用全背管形式，由于全背管形式鋼管穩(wěn)定性較差，后來又逐步演化為半背管形式，近年有些工程又開始嘗試采用淺埋管的布置形式。
從樞紐布置、工程投資、施工進(jìn)度、壩體和壓力管道結(jié)構(gòu)受力及抗震等方面比較，選擇2種形式作對比，1種為壩后背管(半背式)，另外1種為下游壩面淺埋管形式。
兩種布置方案管道的受力狀態(tài)不同，為了研究荷載作用下管道混凝土的開裂、鋼襯和鋼筋應(yīng)力情況，以確定較優(yōu)的結(jié)構(gòu)布置形式，選取管道下平段進(jìn)口斷面建立計算模型，模型底部取至建基面，沿管道軸線方向取1m，采用ABAQUS軟件進(jìn)行非線性有限元計算。管道頂部混凝土厚度取1.5m，混凝土標(biāo)號為C25，彈性模量28GPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1.75MPa；鋼管采用Q345鋼材，彈性模量206GPa，設(shè)計強(qiáng)度300MPa，厚度24mm，配筋為2層。對淺埋管墊層厚度取為30mm，彈模取為2MPa。計算中鋼材和墊層采用線彈性本構(gòu)模型，混凝土采用塑性損傷本構(gòu)模型，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表示。
圖分別給出了兩個布置方案鋼管外包混凝土的損傷圖。從圖中可以看出，對于半背管方案，鋼管外包混凝土損傷區(qū)域較大，管周可能出現(xiàn)若干條徑向貫穿性裂縫且裂縫分布密集，主要集中在管道上半周和左側(cè)混凝土厚度較小區(qū)域，損傷值最大達(dá)到0.996；而采用壩內(nèi)淺埋管方案，管道外圍混凝土損傷值很小，不會延伸至壩體混凝土，僅在管腰側(cè)向位置出現(xiàn)范圍很小的損傷區(qū)，損傷值最大為0.776。因此從結(jié)構(gòu)受力角度來看，采用下游壩面淺埋管方案較好。
水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范對壓力鋼管外包混凝土厚度沒有明確規(guī)定，一般按照經(jīng)驗(yàn)取1～2m，由于外包混凝土厚度直接影響到結(jié)構(gòu)受力和布置，因此選取了1.0、1.5、2.0m三種厚度進(jìn)行敏感性分析。計算仍然選取管道下平段進(jìn)口斷面作為研究對象。當(dāng)外包混凝土為1m時，管頂外側(cè)損傷嚴(yán)重，而1.5m和2.0m兩個相比，外包混凝土損傷值都較小，而采用2.0m方案優(yōu)勢也不明顯，因此綜合考慮，選用1.5m厚度的外包混凝土。
為了使壓力鋼管盡可能多地承擔(dān)內(nèi)水壓力，減小內(nèi)水壓力傳至壩體混凝土，需要在鋼管與外圍混凝土之間設(shè)置墊層。由于墊層參數(shù)(包括厚度、彈模、包角)直接影響到內(nèi)壓外傳以及外壓內(nèi)傳的比例，因此本小節(jié)擬對上述參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇以下墊層方案作比較。
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