解读电站坝后式厂房引水系统及有限元分析

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西部某水电站，采用坝式开发，为混凝土重力坝。比较大坝高1170，坝长3350。电站厂房为坝后式厂房，总装机容量为560MW，共4台机，单机容量为140MW。引水建筑物由坝式进水口和压力管道组成。有限元分析的相关问题可以到网站了解下，我们是业内领域专业的平台，您如果有需要可以咨询，相信可以帮到您，值得您的信赖！http://www.nataid.com/

引水系统采用单管单机布置，共4条引水系统，单条引水系统长1128，其中钢管段长1010。进水口拦污栅置于悬出上游坝面的牛腿上，通仓式布置。进水口底槛高程为33360，设一道平板检修闸门和一道平板速闸门，孔口尺寸为67113和6799。压力管道采用下游坝面浅埋管布置方案，钢管内径为84，斜直段钢管外包混凝土厚度为15，进厂房段钢管直径渐变为76。工程区地震基本烈度为Ⅷ，坝址区50年超越概率10%的地震动峰值加速度为176，工程厂址区构造稳定性较差。

本文通过数值有限元分析方法对引水系统通过多方案对比、多工况的分析，从而对引水系统的布置选择提出结论性意见，并对建筑物结构措施提出指导性意见，以求结构更加合理、安全。

坝后式厂房早期工程采用全背管形式，由于全背管形式钢管稳定性较差，后来又逐步演化为半背管形式，近年有些工程又开始尝试采用浅埋管的布置形式。

从枢纽布置、工程投资、施工进度、坝体和压力管道结构受力及抗震等方面比较，选择2种形式作对比，1种为坝后背管(半背式)，另外1种为下游坝面浅埋管形式。

两种布置方案管道的受力状态不同，为了研究荷载作用下管道混凝土的开裂、钢衬和钢筋应力情况，以确定较的结构布置形式，选取管道下平段进口断面建立计算模型，模型底部取至建基面，沿管道轴线方向取1，采用ABAQUS软件进行非线性有限元计算。管道高部混凝土厚度取15，混凝土标号为C25，弹性模量28GP，抗拉强度标准值为175MP；钢管采用Q345钢材，弹性模量206GP，设计强度300MP，厚度24，配筋为2层。对浅埋管垫层厚度取为30，弹模取为2MP。计算中钢材和垫层采用线弹性本构模型，混凝土采用塑性损伤本构模型，应力应变关系表示。

图分别给出了两个布置方案钢管外包混凝土的损伤图。从图中可以看出，对于半背管方案，钢管外包混凝土损伤区域较大，管周可能出现若干条径向贯穿性裂缝且裂缝分布密集，主要集中在管道上半周和左侧混凝土厚度较小区域，损伤值比较大达到0996；而采用坝内浅埋管方案，管道外围混凝土损伤值很小，不会延伸至坝体混凝土，仅在管腰侧向位置出现范围很小的损伤区，损伤值比较大为0776。因此从结构受力角度来看，采用下游坝面浅埋管方案较好。

水电站压力钢管设计规范对压力钢管外包混凝土厚度没有明确规定，一般按照经验取1～2，由于外包混凝土厚度直接影响到结构受力和布置，因此选取了10、15、20种厚度进行敏感性分析。计算仍然选取管道下平段进口断面作为研究对象。当外包混凝土为1时，管高外侧损伤严重，而15和20两个相比，外包混凝土损伤值都较小，而采用20方案势也不明显，因此综合考虑，选用15厚度的外包混凝土。

为了使压力钢管尽可能多地承担内水压力，减小内水压力传至坝体混凝土，需要在钢管与外围混凝土之间设置垫层。由于垫层参数(包括厚度、弹模、包角)直接影响到内压外传以及外压内传的比例，因此本小节拟对上述参数进行敏感性分析，根据经验，选择以下垫层方案作比较。