水电站放空洞混凝土和钢管联合封堵系统设计.pdf
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1、第 4 7卷 第 1 7期 2 0 I 6 年 9月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r Vo 1 4 7 No 1 7 S e p,2 01 6 文章 编号 : 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 6 ) 1 7 0 0 5 6 0 4 水电站放空洞混凝土和钢管联合封堵系统设计 姚 敏 杰, 高 雅 芬 ( 中国电建 集团 华东勘测设计研究院有 限公司 , 浙江 杭 州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要 : 某水 电站水库库底放 空洞 因进 水 口检修 闸门长期挡水及 无法 紧急 下闸 , 需进 行后 期改 建。从减 少经 济 投入 考虑 , 改建采 用由混
2、凝 土封堵体 、 预埋钢管、 钢制封 头和进人 孔构成的联合封 堵结构, 其 中混凝土封堵体、 预埋钢 管、 钢制封 头的承压 受力结构较 为明确 , 可分别进行计 算。钢制封 头上设进人孔会使 封头 开孔 处产 生 显著的局 部应力成为结构的薄弱点 , 需采 用三维有 限元分 析计算 。详 细论述 了放 空洞封堵 系统各部 位的设 计 。 其方 法可 为类似 X - 程封堵设计提供参 考。 关键词 : 封堵 系统;进人孔 ; 放 空洞 ; 水 电站 中图法分类号 : T V 3 3 文献标志码 : A DOI : 1 0 1 6 2 3 2 j e n k i 1 0 0 1 4 1 7 9
3、 2 0 1 6 1 7 0 1 2 1 工程背景 某水电站水库库容接近 8亿 m , 大坝为混凝土面 板堆石坝, 最大坝高 8 5 5 m, 属大( 二 ) 型工程 。库底 布置放空洞 , 具备水库放空功能 , 该放空洞曾作为施工 期导流洞用 , 水库蓄水后作为放空洞保 留。因历史原 因, 放空洞并未完成进水 口事故闸门的改建 , 仅在进水 口设置了 4 5 。 倾斜布置的检修闸 门, 也未做封堵处 理 便投人使用。 自水库蓄水 2 0余年来 , 放空洞长期采用 进水 口检修闸门挡水 , 闸门本身无法得 到正常 的维护 保养, 存在水库运行期闸门承压挡水的风险; 如提起检 修闸门, 采用放空
4、洞洞身和 出口弧形 闸门挡水 , 洞身出 口段因水文地质条件复杂 、 覆盖厚度小、 修建时混凝土 衬砌结构缺陷广泛存在等不利条件 , 无法 长期承受 内 水压力 , 存在不安全因素。 类似工程导流洞在水库初期蓄水 时, 部分直接采 用混凝土封堵体封堵 , 水库不再具备专门的放空洞 ; 部 分有条件改建的, 且坝高较高、 库容较 大的, 改建 为永 久放空洞 , 作为战争 、 地震等突发情况时的放空通道。 对 于设置放空洞 , 目前规范并没有强制性 的规定。曾 有文献记录, 坝高在 1 5 0 m 以下的 3 1座坝的统计 中, 专门设置放空洞的有 8个工程 ; 没有专门设置放空洞 , 但其它泄
5、水建筑物( 泄洪洞 、 排 沙洞 ) 进 口高程较低 , 具有一定的放空功能的, 有 1 4个工程 ; 其余 9个工程 发电引水建筑物高程最低 。该工程 已安全 蓄水 2 0 余年 , 进水 口已没有条件进行事故闸门的改建 , 即便 出 口段 进行 加 固改建 , 洞 身及 出 口弧 门承压 挡水 后 , 水库 放空时仍存在进水 口检修 门无法 紧急下 闸运 行 的风 险。若采用混凝土封堵 体直接封堵, 水库 中最低 高程 的发 电引水 建筑物无法保证水库放空。针对 上述条 件 , 遵循保 留水库放空功能的原则 , 并考虑电厂实际的 财务状况, 设计方推荐分期改建的设计方案 , 以缓解工 期和
6、投资方面的压力。1 期工程采用在检修 闸门下游 侧设封堵系统 的加 固改建方案 , 用封堵系统代替检修 闸门承压挡水 , 从而消除了水库运行期检修闸门承压 挡水的风险, 见图 1 。封堵系统由混凝 土封堵体 、 预埋 钢 管 、 钢制封 头 和进人 孔组 成 , 钢 管 ( 直 径 3 0 m) 埋设 在混凝土封堵体 ( 直径 6 0 m) 内, 末端采用钢制封头 封闭 , 在钢制封头上布置进人孔。封堵系统形成后 , 运 行期利用封堵 系统承压上游侧水库库水压力 , 封堵 系 统上游侧充满水 , 下游侧 无水 , 此 时, 检修 闸门处于关 闭状态, 两侧平压 , 避免检修 闸门长期挡水 的不
7、利 工 况 。检修闸门需要巡视检修时, 通过封堵系统底部预 埋的排水管将检修闸门和封堵系统之 间的水体放 空, 利用检修闸门临时挡水 , 再 打开进人孑 L 进入封堵系统 上游侧对检修闸门背水面进行巡视检修。2期工程采 收稿 日期 : 2 0 1 6 0 2 2 0 作者简介 : 姚敏 杰 , 男, 工程师 , 主要从 事水工结构方面的设计 工作 。Em a i l : 1 7 2 9 7 6 4 7 0 q q c o rn 58 人 民 长 江 状系 数, K= 2 + ( ) , 其值 可以 查表 压力 容 。 ,正 器 第 3部分 : 设计( G B 1 5 0 32 0 1 1 )
8、表 51 得 到, , ) 当 =2时 , 取值为 1 ; h 为凸形封头 内曲面深度 , 厶 m m; P 为计算压力 , MP a ; D 。 为封头内径或与其连接 的圆筒内直径 , m m; D 。 为封头外径或与其连接的圆筒 外直径 , I n m; 为设 计温度下 封头材料 的许用 应 力 , 采 用 Q 3 4 5 R钢材 , 取 1 8 5 MP a ; 为焊 接接头 系数 , 取 为 0 8 5 。 根据式 ( 3 ) 、 式( 4 ) 计算 , 因要在钢制封头开孑 L 布 置进人通道 , 封头厚度按加厚设计 , 取值为 2 6 mm。 3 进人孔设计 进人孔采用在封头结构上开
9、孑 L 接管结构 , 由此会 在封头的主体结构上产生显著的局部应力集 中, 成为 结构的薄弱点 , 开孔处的最大应力发生在孔 口周边 , 最 大应力理论上为环向应力的 3倍。采用有限元计算软 件进行计算 , 以确保结构设计安全可靠 “ 。 3 1 计算方法 计算软件采用 A N S Y S通用有 限元计算软件。钢 管采用 s h e l l 6 3单元模拟 , 在 网格划分时考虑了结构的 几何形状 、 受 力 特性 和 材料 分 区 , 计 算单 元 总数 为 4 1 2 5 , 节 点 总数为 4 1 5 6 。 3 2 计算分析 根据初步估算 的钢制封头和进人孔接管厚度 , 进 行 三维
10、有 限 元 建 模 。计 算 厚 度 取 为 实 际 厚 度 扣 除 2 mm腐蚀厚 度。首 先 , 保 证 预埋 钢 管 ( 计算 厚 度 1 8 mm) 、 进人孔接管 ( 计算厚度 2 2 m m) 厚度不变 , 对钢 制封头不同厚度进行敏感性分析 , 得到封头开孔处接 管和封头本身的最大应力值 , 见表 1 。其次, 保证预埋 钢管( 计算厚度 1 8 m m) 、 钢制封头( 计算厚度 2 4 m m) 厚度不变 , 对进人孔接管不 同厚度进行敏感性分析 , 得 到封头开孔处接管和封头本身的最大应力值 , 见表 2 。 表 1 封头不 同厚度应 力计算成 果汇总 封头厚度接管应力值封
11、头应力值 封头厚度接管应力值封头应力值 mm MP a MP a mn l MP a MP a 2 0 1 7 6 5 3 1 7 4 4 2 2 6 1 5 4 1 4 1 3 5 7 4 2 2 1 6 7 9 4 1 5 9 1 3 2 8 1 4 8 4 4 1 2 6 6 2 2 4 1 6 0 5 7 1 4 6 4 3 钢制封头和进人孔 接管采用不同厚度 , 得到的封 头开孔处接管和封头本身的应力趋势图 , 分别见 图 3 、 图 4 。由此可见 , 采用封头厚度 2 6 mm( 计算厚 度 2 4 m m) , 接管厚度 2 4 m m( 计算厚度 2 2 mm) 时, 进人孔
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