童 偉，朱萬強(qiáng)，劉 洋，程 鯤

(1.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072;2.黃河中上游管理局，陜西西安 710000)

1 工程概況

龍頭石水電站位于雅安市石棉縣境內(nèi)安順場上游約10km處，為大渡河干流規(guī)劃調(diào)整推薦22級方案的第15梯級電站。電站的主要任務(wù)為發(fā)電，水庫正常水位955.00m，水庫總庫容為1.38億m3，具有日調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)容量700MW，為大(2)型水電工程。

由于施工進(jìn)度安排和防洪度汛要求，擬對尾水錐管高程894.269m處采取鋼悶頭進(jìn)行封堵。本文采用三維有限元分析計(jì)算手段，分析鋼悶頭在尾水荷載的作用下的受力狀態(tài)，為鋼悶頭的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

2 鋼悶頭結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 三維有限元模型的建立

為了更加合理的反映尾水管鋼悶頭在尾水頂托作用下的受力狀態(tài)，本次分析坐標(biāo)軸約定:以鋼悶頭面為XZ面;以鉛直向?yàn)閅軸，豎直向上為正。

計(jì)算模型模擬的范圍為:Y方向(高程方向)為高程896.068～884.248m;XZ方向范圍為整個(gè)尾水管的鋼襯。三維有限元計(jì)算模型如圖1所示，計(jì)算單元類型采用8節(jié)點(diǎn)6面體等參單元。

2.2 材料物理參數(shù)的選取

本次分析采用三維有限元靜力分析計(jì)算。鋼材物理力學(xué)參數(shù)特性如下:悶頭直徑:D=7.7m

圖1 鋼悶頭有限元計(jì)算模型

2.3 計(jì)算主要參數(shù)及荷載組合

工況1計(jì)算尾水位(912.58m):尾水壓力+自重

工況2計(jì)算尾水位(905.00m):尾水壓力+自重

2.4 成果分析

2.4.1 位移成果

鋼悶頭在計(jì)算尾水位912.58m和905.00m的兩種計(jì)算工況下分別承受了18.312m和10.732m水頭的頂托作用。由于鋼悶頭與尾水錐管焊接在一起，在尾水位水頭的頂托作用下，呈現(xiàn)中間向上凸起的特征，其中Y方向的向上變形工況1約為6cm，工況2約為3.5cm。由于周邊的約束，兩種計(jì)算工況下鋼悶頭的X和Z方向變形很小。鋼悶頭在工況1下Y方向的位移云圖見圖2所示。

2.4.2 應(yīng)力成果

兩種工況下，鋼悶頭在尾水荷載的作用下應(yīng)力規(guī)律相似，都表現(xiàn)為引水側(cè)受壓，背水側(cè)受拉的應(yīng)力狀態(tài)，其中主拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在支撐鋼悶頭鋼板中間梁的后緣，工況1最大拉應(yīng)力值約為680MPa;主壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鋼悶頭迎水面的未受鋼梁支撐部位的中部，工況 2主壓應(yīng)力最大值約為205MPa。圖3為工況1下鋼悶頭主拉應(yīng)力云圖。

圖2 工況1鋼悶頭Y方向的位移云圖(單位:m)

圖3 工況1鋼悶頭主拉應(yīng)力云圖(單位:Pa)

2.4.3 措施安全性評價(jià)

表1為在兩種計(jì)算工況下，悶頭鋼板背后鋼梁的應(yīng)力狀態(tài)。

表1 鋼梁最大應(yīng)力成果 MPa

從表中的成果可以看出，鋼悶頭在18.312m和10.732 m水頭的頂托作用下，悶頭背水面的支撐鋼梁的應(yīng)力都超過鋼梁自己的允許承載力。故在現(xiàn)有的支撐措施下，鋼悶頭的安全性達(dá)不到要求，需要對鋼悶頭進(jìn)行加固處理。

3 鋼悶頭加固處理措施研究

為了合理的確定鋼悶頭的加固處理措施，在現(xiàn)有的悶頭背水面鋼梁的基礎(chǔ)上采取增加悶頭鋼板背后鋼梁數(shù)量或者增加在尾水錐管鋼襯與鋼悶頭之間設(shè)置支撐梁的方案。

3.1 采取“增加鋼梁”方案

在悶頭鋼板背后各鋼梁中間增加一道鋼梁，共增加10道鋼梁，具體布置見圖4所示。

圖4 增加鋼梁措施(單位:Pa)

計(jì)算工況采用尾水位為912.73m，即在水頭18.462m的情況下，復(fù)核悶頭的應(yīng)力狀態(tài)是否滿足要求。增加了鋼梁后，鋼悶頭的位移和應(yīng)力分布規(guī)律如同加固前，但量值上都顯著減小，其中Y方向位移最大值為2.71cm，鋼梁上的主拉應(yīng)力量值約為330MPa，主壓應(yīng)力量值約為94MPa。悶頭主拉應(yīng)力云圖見圖5所示。

圖5 鋼悶頭主拉應(yīng)力云圖(單位:Pa)

從計(jì)算成果得知，鋼悶頭在尾水荷載的作用下，鋼梁的主拉應(yīng)力值達(dá)到330MPa，超過Q235的允許應(yīng)力值。故增加鋼梁數(shù)量的措施，達(dá)不到要求。

3.2 采取“增加鋼梁+槽鋼支撐”方案

從以上計(jì)算成果看出，單純增加悶頭背后鋼梁數(shù)量的措施，鋼梁的主拉應(yīng)力還是大于允許應(yīng)力值。故在增加鋼梁加固措施的基礎(chǔ)上增加槽鋼支撐(槽鋼型號(hào)為20a)，同時(shí)減少悶頭最外邊緣的4根鋼梁。計(jì)算模型如圖6所示。計(jì)算工況復(fù)核在水頭18.462m的情況下，鋼悶頭和支撐槽鋼的應(yīng)力狀態(tài)是否滿足要求。

計(jì)算模型的Y方向位移、主拉應(yīng)力及XZ方向的剪應(yīng)力云圖見圖7～9所示。

從圖中可以看出，增加了槽鋼支撐后，悶頭的位移和應(yīng)力分布規(guī)律如同加固前，從量值上都有所改觀，其中Y方向位移最大值為0.55cm，鋼梁上的主拉應(yīng)力量值約為95MPa，主壓應(yīng)力量值約為29MPa，在xz平面上的剪應(yīng)力最大值約為30MPa。槽鋼支撐梁應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大主壓應(yīng)力值為130MPa，滿足要求。

圖6 計(jì)算模型網(wǎng)格剖分示意

圖7 豎直方向的位移云圖(單位:m)

圖8 鋼悶頭主拉應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖9 鋼悶頭xz平面上的剪應(yīng)力云圖(單位:Pa)

從計(jì)算成果可以看出，采取“增加鋼梁+槽鋼支撐”措施后，在尾水荷載的作用下，鋼悶頭的鋼板、背后的鋼梁及槽鋼支撐無論主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力還是剪應(yīng)力都滿足要求。

4 小結(jié)

龍頭石水電站尾水錐管鋼悶頭在尾水頂托作用下，利用三維有限元分析手段，較好反映了鋼悶頭及背后鋼梁的受力狀態(tài)，并驗(yàn)證了原先悶頭的加固措施的安全性且提出了合理安全的鋼悶頭加固措施，滿足了工程的需要，同時(shí)也為工程上遇到類似問題提供了一定的借鑒作用。