邰春亮

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概況

小山口水電站屬中型Ⅲ等工程，電站廠房按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，相應(yīng)地震基本烈度為8度。

2 軟巖基礎(chǔ)上尾水管設(shè)計(jì)

尾水管是廠房水下建筑的主要承重和過水結(jié)構(gòu)，它是廠房的過流部件之一，它的形狀及尺寸由制造廠家通過模型實(shí)驗(yàn)確定，尾水管有直錐型和彎肘型兩種。大中型水電站均采用彎肘型，可減少廠房開挖高度。彎肘型尾水管由進(jìn)口錐管、肘管、出口擴(kuò)散段三部分組成，尾水錐管段因離水輪機(jī)很近，水流亂、流速大，故一般設(shè)有金屬里襯。肘管段一般不設(shè)金屬里襯，但當(dāng)水頭大于150m，或尾水管平均流速大于6m/s時(shí)，以及水中含沙量較大的電站，可考慮設(shè)里襯。而擴(kuò)散段因斷面變大后流速降低，一般不設(shè)鋼材，而用鋼筋混概土制作。尾水管是連接水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口與尾水渠的管道結(jié)構(gòu)。

2.1 4H型尾水管基本結(jié)構(gòu)

4H型尾水管基本結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 4H型尾水管結(jié)構(gòu)圖A—圓環(huán)面；B—斜圓錐面；C—斜平面；D—水平圓柱面；E—垂直圓柱面；F—立平面；G—水平面。[2]

2.2 基本假定及結(jié)構(gòu)內(nèi)力

2.2.1基本假定

(1)在如圖2所示的4H型尾水管中，在垂直水流方向選取4個(gè)計(jì)算斷面，在各斷面處切取單寬截條按平面問題進(jìn)行計(jì)算。

(2)考慮各斷面的計(jì)算情況多數(shù)以機(jī)組檢修為控制，故以下僅計(jì)算機(jī)組檢修情況，此時(shí)電站下游尾水位為1277.23m。

(3)尾水管承受荷載包括尾水管自重、蝸殼重、風(fēng)罩、機(jī)墩重及機(jī)電設(shè)備重等。尾水管以上二期混凝土及機(jī)電設(shè)備重均按均布荷載考慮。

(4)不考慮混凝土的溫度應(yīng)力。[2]

(5)由于底板厚度與墩墻厚度接近，并且地基為泥巖，所以擴(kuò)散段按彈性地基上的框架計(jì)算。[3]

2.2.2軟巖基礎(chǔ)上擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)內(nèi)力(4- 4斷面)

4- 4斷面結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示，框架各桿件的跨高比均大于1/5。因此考慮節(jié)點(diǎn)剛性及剪切變形的影響，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

(1)荷載計(jì)算

頂板荷載q1=58.12kN/m2(結(jié)構(gòu)自重+水重)

底板荷載q2=59.85kN/m2(浮托力-底板自重)

圖2 尾水管橫剖面圖

圖3 4- 4斷面結(jié)構(gòu)尺寸

圖4 計(jì)算簡(jiǎn)圖

外水壓力q3=25.915kN/m2

左墩自重p1=362.865kN/m2

中墩自重p2=206.761kN/m2

右墩自重p3=258.451kN/m2

(2)形常數(shù)計(jì)算

框架各肢相對(duì)線性剛度

同理，i2=0.067，i3=0.130，i4=0.020，i5=0.021，i6=0.048，i7=0.052

轉(zhuǎn)角分配系數(shù)

節(jié)點(diǎn)B：μBC=-0.026，μBA=-0.474

節(jié)點(diǎn)C：μCB=-0.092，μCF=-0.310，μCD=-0.099

節(jié)點(diǎn)D：μDC=-0.070，μDE=-0.430

節(jié)點(diǎn)E：μED=-0.357，μEF=-0.143

節(jié)點(diǎn)F：μFA=-0.145，μFC=-0.200，μFE=-0.156

側(cè)移分配系數(shù)

縱向：

(3)第一次計(jì)算

假定地基反力為線性分布，如圖4所示。

根據(jù)整體平衡求地基反力：

由∑Y=0得：

(1)

由∑MA=0得：

(2)

由(1)、(2)式可得：q5=97.844kN/m2，q6=46.066kN/m2

樓層彎矩

縱向BCFA框架：

∑P=-362.87kN，∑Q=-235.17kN；

Mr=-247.77kN·m

縱向CFED框架：

5.417=307.15kN

∑P=-68.06kN，∑Q=-149.74kN；

Mr=147.48kN·m

橫向：Mr=0kN·m

各肢固端彎矩

=-164.11kN·m；

=-142.12kN·m；

=399.84kN·m；

節(jié)點(diǎn)不平衡彎矩

彎矩分配見表1。

表1 桿端彎矩計(jì)算表(力矩分配法) 單位kN·m

求地基反力：

=126.358kN；

QCB=211.957kN；QCD=203.862kN；

QDC=110.972kN；

作用于底板上的荷載為:

NA=489.223kN；NF=622.579kN；NE=369.424kN；q2=59.85kN/m2

屬長(zhǎng)梁性質(zhì)。

特征長(zhǎng)度：

查郭氏表求地基反力，計(jì)算結(jié)果見表2。

由∑M′A=0得，P5=223.68kN

地基反力圖如圖5所示。

圖5 地基反力圖

(4)重復(fù)迭代計(jì)算

按節(jié)點(diǎn)不平衡彎矩及樓層彎矩，用迭代法再進(jìn)行彎矩分配，并求地基反力，計(jì)算后得到新的地基反力，這樣迭代四次后，精度已滿足工程要求。本工程的最后一次的計(jì)算成果繪制成內(nèi)力圖如圖6所示，最后一次的彎矩分配計(jì)算見表3。

圖6 4—4斷面彎矩圖

3 結(jié)語

軟巖基礎(chǔ)上擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算中，應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)剛性及剪切變形的影響；軟巖基礎(chǔ)對(duì)擴(kuò)散段整體框架內(nèi)力影響非常大，底板反力不能簡(jiǎn)單按線性均勻分布考慮，計(jì)算中需要使用郭氏表中長(zhǎng)梁系數(shù)表。

軟巖基礎(chǔ)上4H尾水管擴(kuò)散段按彈性地基上整體框架計(jì)算，計(jì)算過程較復(fù)雜，但計(jì)算結(jié)果更能反應(yīng)結(jié)構(gòu)實(shí)際的應(yīng)力情況。

尾水管框架轉(zhuǎn)角處是產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，其應(yīng)力分布與內(nèi)折角的形狀有關(guān)。內(nèi)折角越平緩，應(yīng)力集中越小。

表2 地基反力計(jì)算表 單位：kN·m

表3 桿端彎矩計(jì)算表 單位kN·m