梁 娟,楊 健

(1.廣東粵源水利水電工程咨詢有限公司,廣東 廣州 510635；2.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,廣東 廣州 510610)

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水平旋流內(nèi)消能泄洪洞結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究

梁 娟1,楊 健2

(1.廣東粵源水利水電工程咨詢有限公司,廣東 廣州 510635；2.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,廣東 廣州 510610)

根據(jù)水平旋流內(nèi)消能泄洪洞水力特性,旋轉(zhuǎn)水流在水平旋流洞內(nèi)形成的非均勻內(nèi)水壓力沿程變幅大,各部位結(jié)構(gòu)受力差異大,不便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該文利用有限元軟件對(duì)水平旋流洞典型斷面進(jìn)行有限元分析,計(jì)算其應(yīng)力分布,結(jié)合加筋和運(yùn)行期放空的情況進(jìn)行對(duì)比,分析其應(yīng)力的分布特點(diǎn)和影響因素。結(jié)果表明,水平旋流洞末端的阻塞在減緩水平洞流速的同時(shí),會(huì)引起局部應(yīng)力增大,應(yīng)考慮加環(huán)向鋼筋等措施；當(dāng)環(huán)向鋼筋不能有效降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力值時(shí),可考慮設(shè)置鋼襯或采用高標(biāo)號(hào)混凝土,既可以提高隧洞的結(jié)構(gòu)抗力,又可以起到防止和減輕空蝕的作用。

水平旋流洞；非均勻內(nèi)水壓力；結(jié)構(gòu)應(yīng)力

我國(guó)西南地區(qū)水利工程具有高落差、大泄量、窄河谷、樞紐消能布置困難的特點(diǎn),如果采用傳統(tǒng)的消能方式消能,不僅無(wú)法提高消能率,還會(huì)帶來(lái)霧化、空蝕破壞、岸坡沖刷等新問題。為了解決高壩建設(shè)中的高速水流問題,研究將大尺度導(dǎo)流洞改建為永久式泄洪洞,旋流式內(nèi)消能工能適應(yīng)復(fù)雜的地形、地質(zhì)條件,施工簡(jiǎn)單,并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,布置靈活,消能率高的特點(diǎn),是高壩建設(shè)中理想的消能方案[1]。

水平旋流內(nèi)消能泄洪洞通過起旋發(fā)生裝置(即起旋器)把豎井洞段的有壓流轉(zhuǎn)換為水平旋流洞的旋轉(zhuǎn)水流,因水流能動(dòng)量的急劇轉(zhuǎn)變,旋轉(zhuǎn)水流離心作用力以及水平旋流洞末端阻塞的水流約束作用,使水平旋流洞內(nèi)形成非均勻內(nèi)水壓力,壓力值沿程變幅大,各部位結(jié)構(gòu)受力差異大,卻只是參考常規(guī)隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。若水平旋流洞全洞按結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值設(shè)計(jì),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力小的部位的鋼筋混凝土襯砌的厚度過厚和配筋量過多,資金投入較大；若按結(jié)構(gòu)應(yīng)力平均值設(shè)計(jì),則會(huì)使結(jié)構(gòu)應(yīng)力大的部位結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足,在施工和運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此本文結(jié)合具體工程,從彈性理論的觀點(diǎn)出發(fā),在考慮圍巖的應(yīng)力作用和運(yùn)行期內(nèi)水壓力的影響下,利用有限元軟件對(duì)水平旋流洞典型斷面(壓力值差異大斷面)進(jìn)行應(yīng)力變形仿真分析,分析水平旋流洞的襯砌結(jié)構(gòu)以及圍巖體應(yīng)力的分布與變化規(guī)律,以便為設(shè)計(jì)和施工方案提供依據(jù)。

1 工程概況

某水電站正常蓄水位為1 842 m,水庫(kù)總庫(kù)容7.042億m3。導(dǎo)流洞初步設(shè)計(jì)改建為水平旋流內(nèi)消能泄洪洞,泄洪洞全長(zhǎng)958.192 m,作用水頭142.96 m,泄流量1 470.3 m3,由短有壓進(jìn)口和上水平洞段、豎井洞段、起旋器、水平旋流洞消能段、旋流擴(kuò)散消能段與原導(dǎo)流洞六部分組成。水平旋流洞消能段流態(tài)復(fù)雜、流速較大、壓力為非均勻內(nèi)水壓力,由水平旋流洞和阻塞段組成,是水平旋流內(nèi)消能泄洪洞的重要組成部分,具體見圖1。

2 水平旋流內(nèi)消能泄洪洞原理和壓力分布

水平旋流內(nèi)消能泄洪洞是利用起旋器使豎井洞段的有壓流轉(zhuǎn)換為水平旋流洞段的旋轉(zhuǎn)水流,由通氣孔通入氣體,利用貼壁旋轉(zhuǎn)水流的離心力,形成空腔及徑向流速梯度,加大內(nèi)外流體層間的剪切力,使水體摻氣、碰撞、并延長(zhǎng)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡消耗大部分能量；同時(shí)離心力也增大了洞壁壓力,使挾氣水流發(fā)展到壁面而減小了空蝕破壞[2]；為了保證在高水頭、大流量情況下水平旋流洞附壁流速維持在35～38 m/s以下[3],水平旋流洞末端增設(shè)阻塞,縮小出口面積,從而使水平旋流洞附壁流速降低,洞壁壓力增大,水流旋轉(zhuǎn)沿程增長(zhǎng),減小洞內(nèi)空化空蝕的可能性。該水電站水平旋流內(nèi)消能泄洪洞在上游庫(kù)水位H/D=11.91時(shí)壓力分布圖見圖2。

圖1 水平旋流洞消能段體型示意

圖2 水平旋流洞消能段壓力分布示意(H/D=11.91)

水平旋流洞Z=0～2D為水流能動(dòng)量的急劇轉(zhuǎn)變段,洞壁壓力有較大的下降。在起旋器內(nèi)側(cè)收縮面與水平洞頂部相貫處為水平旋流洞內(nèi)的空腔旋流與起旋器出口的切向出流相交匯(起旋器出口低壓區(qū)),形成較為復(fù)雜的剪切旋流,洞壁壓力值變幅大,有些部位甚至有負(fù)壓產(chǎn)生[4]。至Z=2～6.67D為水平旋流平穩(wěn)段,洞壁壓力隨沿程略有減小,在750～950 kPa之間,四周洞壁壓力在洞頂最小,洞底最大。到Z=6.67～8.33D為阻塞段,后接旋流漸變擴(kuò)散消能段,空腔直徑增大,水層厚度變薄,流速迅速增大,洞壁壓力隨沿程迅速降低至100 kPa左右。

3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算及成果分析

3.1 計(jì)算模型及材料特性

根據(jù)壓力分段區(qū)域,共分13個(gè)典型斷面(見圖1),起旋器低壓區(qū)分4個(gè)斷面(即Z/D=1.013、1.047、1.08、1.113),水平旋流平穩(wěn)段分6個(gè)斷面(即Z/D=2、2.917、3.833、4.75、5.667、6.583),阻塞段分3個(gè)斷面(即Z/D=7、7.5、8.25)。

由于隧洞縱向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于橫向長(zhǎng)度,因此可視作平面應(yīng)變問題,同時(shí)考慮到旋流洞內(nèi)水壓力的非均勻性,本文采用二維計(jì)算模型對(duì)上述13個(gè)典型斷面進(jìn)行仿真分析,在隧洞上下左右分別取3倍洞徑作為計(jì)算范圍,模型左、右和下部邊界施加法向約束,上部為自由邊界,根據(jù)隧洞埋深情況,將上部土體重量換算成均布荷載施加在模型邊界上。計(jì)算模型網(wǎng)格剖分圖如圖3所示。砼和圍巖的材料物理特性見表1。

圖3 計(jì)算模型網(wǎng)格剖分示意

表1 砼和圍巖材料物理特性

3.2 計(jì)算成果

采用PLANLE42單元模擬砼和圍巖,不考慮鋼筋,計(jì)算應(yīng)力分布。圖4、5為低壓區(qū)斷面1、2第一主應(yīng)力云圖,圖6為平穩(wěn)段斷面5第一主應(yīng)力云圖,圖7、8為阻塞段斷面11和12第一主應(yīng)力云圖,圖9、10、11分別為放空情況下斷面1、5、12第一主應(yīng)力云圖。圖12、13為加筋情況下斷面5徑向和切向應(yīng)力云圖。

圖4 斷面1第一主應(yīng)力云示意

圖5 斷面2第一主應(yīng)力云示意

圖6 斷面5第一主應(yīng)力云示意

圖7 斷面11第一主應(yīng)力云示意

圖8 斷面12第一主應(yīng)力云示意

圖9 放空情況斷面1第一主應(yīng)力云示意

圖10 放空情況斷面5第一主應(yīng)力云示意

圖11 放空情況斷面12第一主應(yīng)力云示意

圖13 加筋情況斷面5切向應(yīng)力云示意

圖14 旋流洞內(nèi)壁第一主應(yīng)力分布示意

3.3 成果分析

1) 由圖4～圖8可知,起旋器出口低壓區(qū)斷面1～斷面4第一主應(yīng)力均大于等于0,為拉應(yīng)力,最大值出現(xiàn)在洞頂偏左約18°附近,而其它斷面均位于洞頂正上方或洞底中心,主要是因起旋器出口低壓區(qū)位于水平旋流洞斷面洞頂偏左0°～60°附近,內(nèi)水壓力值低,甚至出現(xiàn)負(fù)壓,最大負(fù)壓值位于洞頂偏左18°～36°,造成第一主應(yīng)力最大值分布偏左。四個(gè)斷面中第一主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在斷面2洞頂偏左18°,為2.755 MPa。

2) 因水平旋流洞平穩(wěn)段的內(nèi)水壓力分布比較均勻,6個(gè)斷面應(yīng)力分布基本一致,第一主應(yīng)力均大于等于0,為拉應(yīng)力,最大值均為2.34 MPa,且都出現(xiàn)在洞頂。

3) 阻塞段斷面11第一主應(yīng)力最大值為2.3 MPa,斷面12第一主應(yīng)力最大值為2.5 MPa,均為拉應(yīng)力,都出現(xiàn)在洞底,這說(shuō)明阻塞在減緩水平洞水流流速的同時(shí),在阻塞末端引起局部應(yīng)力增大,應(yīng)考慮加環(huán)向鋼筋等措施。

4) 考慮到運(yùn)行期水平旋流洞放空的情況,斷面1、5、12第一主應(yīng)力最大值均為2.25 MPa,均出現(xiàn)在頂部。

5) 加環(huán)向鋼筋后,水平旋流洞在泄水情況下,斷面5第一主應(yīng)力最大值降為2.3 MPa,徑向和切向應(yīng)力均比未加筋時(shí)有所減少,但不明顯,可考慮設(shè)置鋼襯或采用高標(biāo)號(hào)混凝土,既可以提高旋流洞的結(jié)構(gòu)抗力,又可以起到防止和減輕空蝕的作用。

4 結(jié)論

1) 旋流作用下所形成的非均勻內(nèi)水壓力對(duì)旋流洞結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布有一定的影響。根據(jù)旋流洞內(nèi)水壓力的分布規(guī)律,一般洞底的壓力最大,此處第一主應(yīng)力也較大。起旋器出口低壓區(qū)第一主應(yīng)力最大值為2.755 MPa,出現(xiàn)在斷面2洞頂偏左18°附近,為整個(gè)水平旋流洞第一主應(yīng)力的最大值,因此需加強(qiáng)該區(qū)域的結(jié)構(gòu)?？紤]到起旋器出口低壓區(qū)有負(fù)壓存在,泄洪時(shí)容易產(chǎn)生空蝕破壞,還需采用抗磨抗蝕材料和注意施工平整度。

2) 水平旋流洞末端的阻塞在減緩水平洞流速的同時(shí),會(huì)引起局部應(yīng)力增大,應(yīng)考慮加環(huán)向鋼筋等措施。

3) 當(dāng)環(huán)向鋼筋不能有效降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力值時(shí),可考慮設(shè)置鋼襯或采用高標(biāo)號(hào)混凝土,既可以提高隧洞的結(jié)構(gòu)抗力,又可以起到防止和減輕空蝕的作用。

4) 實(shí)際旋流洞壓力分布十分復(fù)雜,本次計(jì)算僅考慮各測(cè)點(diǎn)間壓力線性變化的情況,未考慮旋流形成的空蝕空化現(xiàn)象。

[1] 牛爭(zhēng)鳴,李建中,王永生.豎井進(jìn)流水平旋轉(zhuǎn)內(nèi)消能泄水道的水力特性研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),1997(12)：58-62．

[2] 巨江,衛(wèi)勇,陳念水.公伯峽水電站水平旋流泄洪洞試驗(yàn)研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2004(10)：88-91．

[3] 牛爭(zhēng)鳴,洪鏑,張浩博,等.公伯峽旋流泄洪洞的水力特性與原型觀測(cè)[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2008(4)：27-30.

[4] 牛爭(zhēng)鳴,李建中,王永生.豎井進(jìn)流水平旋轉(zhuǎn)內(nèi)消能泄水道的空化特性[J].水利學(xué)報(bào),1998(1)：44-49．

(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Stress Analysis of Structure for Horizontal Vortex Inner Energy Dissipation Discharge Tunnel

LIANG Juan1，YANG Jian2

(1.Guangdong Yueyuan Conservancy & Hydro-power Engineering Consultation Co.,ltd，Guangzhou 510635；2.China Water Resources Pearl River Planning Surveying & Designing Co.,Ltd．Guangzhou，510610)

According to the hydraulic characteristics of horizontal vortex internal energy dissipation spillway tunnel, nonuniform inner water pressure formed by rotational flow in horizontal vortex tunnel has large variation range along the tunnel, and the force on each part of the structure is very different.It is not easy for structural design. In this paper, finite element analysis is carried out on the typical sections of horizontal vortex tunnel by using finite element software, the stress distribution is calculated, the situations of adding steel bar and discharging all water at runtime are compared,and the characteristics of stress distribution and effect factors are analysed.The block at the end of horizontal vortex tunnel slows flow velocity, at the same time, leads to local stress increases,some measures such as annular reinforcing steel bars should be considered.When annular reinforcing steel bars can’t effectively reduce the structural stress value,steel liner or high grade concrete should be considered.This can improve the tunnel structure resistance, and has the effect of preventing and mitigating cavitation erosion.

horizontal vortex tunnel; nonuniform inner water pressure ; structural stress

2016-01-20;

2016-02-15

梁娟(1983)，女，碩士，工程師，從事水工設(shè)計(jì)及咨詢工作。

TV134

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1008-0112(2016)01-0036-05