某水电站钢筋混凝土岔管三维有限元结构分析

任建钦，徐 岩，赵立旺，艾明明

（中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院，吉林 长春 130061）

某水电站钢筋混凝土岔管三维有限元结构分析

任建钦，徐 岩，赵立旺，艾明明

（中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院，吉林 长春 130061）

文章应用大型通用有限元软件 ANSYS，对某水电站钢筋混凝土岔管在施工期、运行期和检修期工况下进行了三维有限元计算。根据计算结果，分析钢筋混凝土结构的稳定性，验证结构设计的合理性，并根据应力计算结果，推荐岔管结构配筋方案。

水电站；钢筋混凝土岔管；外水压力；内水压力；ANSYS

0引言

岔管是水电站输水系统中的重要组成部分，其结构设计直接关系到岔管本身及相邻建筑物的运行安全。岔管按材料可以分为钢岔管和钢筋混凝土岔管 2种。当岔管 HD 值大时，钢岔管需要的钢衬一般较厚，材料耗费量大，焊接工艺复杂，施工困难。鉴于此，除特殊地质条件以外，尽可能采用钢筋混凝土岔管。但钢筋混凝土岔管的体型、荷载、边界以及与围岩联合承载的机理极其复杂，一般计算方法无法准确描述结构的变形和受力特征，因而引入有限元数值计算法。

1 有限元模型

1.1 计算模型

钢筋混凝土岔管结构整个计算模型的范围沿进水方向（X 向）取 281m，沿铅直方向（Y 向）自山体表面向下取至支管中心线以下 200m，侧向（Z向）岩体取 200m。

钢筋混凝土岔管所选取模型模拟范围内的岩体均为大型块体结构，此计算中将其划分为 8节点等参块体单元 SOLID45。岔管可视为厚壳结构，将其划分为 20 节点等参块体单元 SOLID65，以便更精确地模拟其力学行为，在厚度方向划分 4层。

模型底部施加垂直方向（Y 向）约束，下游面施加水平方向（X 向）约束，上游面施加侧压力，一个侧面施加水平向（Z 向）约束，另一侧面施加侧压力，并考虑结构的自重。

1.2 材料参数

材料参数见表 1。

表1 材料参数表

1.3 计算参数

最大内水压力水头 150m，最大外水压力水头86m，钢筋混凝土衬砌厚度 0.8m，钢筋混凝土标号 C30，回填灌浆压力 0.4MPa。

1.4 计算工况

根据高压混凝土岔管的施工和运行期可能发生的设计控制工况，此次计算采用以下工况进行计算分析。

工况 1：开挖工况，荷载组合：初始地应力+开挖释放荷载。

工况 2：施工工况，荷载组合：初始地应力+开挖释放荷载+外水压力+回填灌浆压力+衬砌结构自重。

工况 3：运行工况，荷载组合：初始地应力+开挖释放荷载+外水压力+内水压力+衬砌结构自重。

工况 4：检修工况，荷载组合：初始地应力+开挖释放荷载+外水压力+衬砌结构自重。

外水压力按面力施加，直接作用在衬砌外表面上，内水也按面力施加，直接作用在衬砌内表面上。

2 计算结果分析

2.1 工况 1 计算成果分析

采用 ANSYS 软件中的生死单元技术，模拟岔管的开挖，可以计算开挖后的二次应力场，确定岔管开挖、围岩产生变位、松弛后的应力重分布。

1）围岩初始应力场分布较为均匀，第一主应力大小在-0.01～-3.18MPa 范围内变化，第二主应力大小在-0.05～-3.62MPa 范围内变化，第三主应力大小在-0.28～-9.13MPa 范围内变化，且与高程相关性较大。

2）岔管开挖后，岔管顶部和底部围岩的位移小于 3mm，压应力均小于 3.5MPa，侧 部位移均小于 1mm，除岔口处有较大的应力集中外，其他部位的压应力均小于 8MPa，这说明岔洞围岩应力总体比较小，只是在岔口区域受应力集中影响应力条件相对较差，可能有岩块发生崩落，开挖时应该对岔口区域进行修圆整平并加强支护，以保证施工期的围岩安全稳定。

2.2 工况 2 计算成果分析

岔管最大压应力值为 24.67MPa，发生在岔口右侧与岔挡相接处，最大拉应力为 1.5MPa，发生在岔管底部岔口附近，其它区域应力均比较小。裂缝只发生在岔口区域，主岔管底部裂缝贯通，顶部裂缝只局限于内层，岔裆底部裂缝几乎全部贯通，顶部裂缝只发生在内层。

2.3 工况 3 计算成果分析

岔管最大压应力值为 24.08MPa，发生在岔口右侧与岔挡相接处，最大拉应力为 0.28MPa，发生在岔管底部岔口附近，其它区域应力均比较小。裂缝只发生在岔口区域，主岔管底部有很少一部分裂缝贯通，顶部未开裂，岔裆底部裂缝没有贯通，顶部没有裂缝。

2.4 工况 4 计算成果分析

岔管最大压应力值为 23.40MPa，发生在岔口右侧与岔挡相接处，最大拉应力为 0.94MPa，发生在岔管底部岔口附近，其它区域应力均比较小。裂缝只发生在岔口区域，主岔管底部有相当一部分裂缝贯通，顶部裂缝较少且只存在于内层，岔裆底部裂缝有两条贯通，其它裂缝存在于内层四分之三厚度内，顶部裂缝只发生在内层。

2.5 综合结果分析

给出施工期、运行期、检修期 3 种工况钢筋混凝土岔管的应力情况，如表 2。

表2 各工况下岔管应力情况

从表2可以看出，每种工况岔管的顶部和底部压应力都不是很大，而侧部压应力较大，在岔口区域内层混凝土最大压应力超过了混凝土的抗压强度，远离岔口区域只有工况2内层混凝土超过了混凝土的抗压强度；各工况之间应力水平也存在着差异，工况 3 整体应力水平不是很高；工况 4在岔口区域局部压应力较大，而其它区域应力都没有超过混凝土强度指标；工况 2，整个岔管结构内层侧部压应力有相当一部分超过了混凝土强度指标。

3 配筋计算

此次配筋计算是依据施工工况应力计算结果的基础上，按照 DL/T5057-1996《水工混凝土结构设计规范》和 DL/T5195-2004《水工隧洞设计规范》进行配筋计算，其计算结果见表 3，岔管结构配筋布置，见图 1。

表3 岔管结构配筋计算结果

4 结论和建议

1）岔管开挖后，围岩总体比较稳定，只是在岔口附近受应力集中影响围岩稳定性相对较差。建议在开挖施工时，对岔口和岔裆部位进行适当修圆处理，或者开挖时就进行喷浆支护，以保证施工期的围岩稳定安全。

2）施工工况和检修工况在受应力集中影响的岔口和岔裆部位混凝土有压碎和拉裂的可能，而岔管结构其它部位是比较安全的；运行工况岔管整个结构都比较安全。

图1 岔管结构建议配筋布置示意图

3）外水直接作用在混凝土衬砌上也会大大影响着岔管结构的稳定，建议对围岩进行灌浆处理，至少保证在 1.5m 厚围岩范围内有良好的抗渗性，尤其要做好岔管底部围岩的灌浆，保证底部围岩灌浆深度应该比其它部位要大一些。

4）钢筋混凝土岔管衬砌厚度采 0.8m，钢筋混凝土标号 C30，结构安全，设计较为合理。

［1］DL/T5057-1996，水工混凝土结构设计规范［s］.

［2］DL/T5195-2004，水工隧洞设计规范［S］.

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2013-12-11