齐热哈塔尔电站岔管计算分析

段雪莹，王立成，阮建飞

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222）

1 工程概况

齐热哈塔尔水电站工程位于新疆维吾尔自治区喀什市塔什库尔干塔吉克自治县境内的塔什库尔干河上。电站为低闸坝长隧洞引水式电站，岸边式地面厂房。工程主要任务是发电，电站总装机容量210 MW，多年平均年发电量为7.546 亿kW·h。工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，永久性主要建筑物为3 级，次要建筑物为4 级。

电站岔管采用对称Y 型布置，结构型式采用结构简单、制作简便的月牙肋岔管。1 号岔管分岔角为74°，主管管径6.0 m，支管管径4.2 m。2 号岔管分岔角亦为74°，主管内径4 m，支管管径2.8 m。两个岔管结构类似，本文只对1号岔管进行计算，岔管钢材选用SHY685NS-F。1 号岔管结构如图1所示。

图1 岔管平面布置

2 结构力学法计算

2.1 计算工况及荷载

考虑岔管在岩体中埋深较浅，按明岔管进行计算分析。根据DL/T5141—2001《水电站压力钢管设计规范》附录F月牙肋岔管结构分析方法。1 号岔管工作水头在正常运行水击压力情况为4.37 MPa，在水压试验情况下，岔管内水压力取正常运行最高内水压力设计值的1.25 倍，为5.46 MPa。运行工况如表1所示。

表1 岔管各工况的荷载

2.2 钢材特性

钢材用日本产牌号为SHY685NS-F 钢，弹性模量E=2.10×105MPa，泊松比μ=0.3，应力控制要求：正常运行工况，整体膜应力小于260 MPa，局部应力小于380 MPa；水压试验，整体膜应力小于355 MPa，局部应力小于515 MPa。

2.3 计算结果

正常运行水击压力工况（持久状况）明岔管按整体膜应力估算管壁厚度成果见表2，明岔管按局部应力估算管壁厚度计算成果见表3。

表2 持久状况1 号岔管按整体膜应力估算管壁厚度成果表

表3 持久状况1 号岔管按局部应力估算管壁厚度成果表

水压试验工况（短暂状况）下，1 号岔管按整体膜应力估算管壁厚度成果见表4，明岔管按局部应力估算管壁厚度计算成果见表5。

表4 短暂状况明岔管管按整体膜应力估算管壁厚度成果表

表5 短暂状况明岔管按局部应力估算管壁厚度成果表

根据“大型岔管管壁宜设计为变厚，相邻管节的壁厚之差值不宜大于4 mm”的规定：1 号岔管管节1，3，5 取62 mm；2，4，6 取58 mm。

3 有限元方法计算分析

3.1 计算模型

根据上述条件，采用有限元程序ANSYS，建立岔管的三维模型，并剖分单元施加荷载进行计算。考虑岔管在岩体中埋深较浅，按明岔管进行计算分析。模型假定铅垂向上为Z 方向。计算模型三维单元图如图2所示。

图2 岔管三维单元图

3.2 计算结果

经过计算，岔管的应力结果见表6及图3至6 所示。

4 计算结果分析

根据结构计算及有限元计算结果可以看出，岔管的Mises 应力控制因素一般在岔管管壳及月牙肋板内侧，而其他部位的Mises 应力一般不大，不作为设计的控制因素。有限元计算管壁最大Mises 应力为427 MPa，月牙肋板上的最大Mises 应力为347 MPa，均小于钢材的允许应力，满足要求。并且最大的应力接近允许应力，材料利用充分，体型设计合理。

表6 1 号岔管加强结构最大mises 应力 MPa

图3 岔管最大mises 应力图(工况1)

图4 岔管月牙肋最大mises 应力图(工况1)

图5 岔管最大mises 应力图(工况2)

图6 岔管月牙肋最大mises 应力图(工况2)

［1］ 中水北方公司.齐热哈塔尔水电站初步设计报告［R］.2009.

［2］ SL281-2003，水电站压力钢管设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2003.