盖下坝水电站月牙肋钢岔管设计

范 永，张建辉，刘文斌，宋立民

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

盖下坝水电站月牙肋钢岔管设计

范 永，张建辉，刘文斌，宋立民

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

盖下坝水电站非对称月牙肋钢岔管规模较大，是工程设计的关键。岔管体形和钢材厚度优化设计采用三维有限元方法计算，对钢岔管应力变形进行了深入研究。计算与实际运行成果表明：岔管设计体形良好，结构安全。

盖下坝水电站；月牙肋钢岔管；三维有限元计算；重庆市

1　工程简介

盖下坝水电站位于重庆市云阳县和奉节县境内的长江一级支流长滩河中上游河段，距下游长江入口处的故陵镇约45km，距云阳县城约90 km。该工程是以发电为主，为当地旅游资源开发，水产养殖等提供了有利条件。水库正常蓄水位392m，死水位352m，水库总库容3.54×108m3。电站装机容量为132MW。

枢纽工程由混凝土双曲拱坝及左岸引水发电系统组成，混凝土双曲拱坝最大坝高160m。引水系统布置在长滩河左岸山体内，由进水口，引水隧洞，调压井及压力管道组成，引水隧洞内径5.6m，总长约7.0km，调压井为阻抗式，压力钢管内径5.0m，在岔管前缩小为4.5m，各个支管内径2.3 m，主管经1号岔管和2号岔管与支管相接，岔管采用卜型月牙肋钢岔管。

2　钢岔管的布置

经技术经济比较，工程1号，2号钢岔管均采用内加强月牙肋岔管，其中1号岔管主管内径4.5 m，支管内径分别为3.5m和2.3m，最大公切球内径5.642m；2号岔管主管内径3.5m，支管内径均为2.3m，最大公切球内径4.094m，与类似工程相比，此工程钢岔管具有如下技术特点：

1）规模大，工程1号，2号钢岔管运行期设计内水压力为2.6MPa（含水击压力），岔管PD值分别为1467m2和1064m2，规模位居同类型工程前列。

2）布置新颖，根据据引水隧洞和发电厂房布置，受地形地质条件所限，1号，2号钢岔管均采用非对称“Y”型布置形式，其主，支管的布置突破了梳齿形布置，采用正向分流的布置型式。其水头损失和管壳，肋板的受力特性均与对称布置的同类型岔管有所不同。

3　钢岔管的体形设计

考虑到岔管临近厂房，结合地质条件，岔管按明管设计，根据规范推荐公式及有关构造要求初步拟定岔管体形尺寸和管壁厚度，然后对岔管初拟体形进行三维有限元应力变形计算分析，确定岔管体形参数和材质等。

3.1岔管体形初步拟定

根据规范要求，通过相似工程类比，初拟岔管体形设计各参数如下：

初拟1号岔管分岔角（图1中管节5，9轴线的夹角）为84°，斜支管（9，10，11，12）轴线与水平线的夹角为60°，管壁厚34mm。岔管为4-4-4布置（即主管，直支管，斜支管各用4个管节过渡），岔管平面结构布置如图1所示。

初拟2号岔管分岔角（管节4，7轴线的夹角）为60°，管节6，9轴线的夹角为60°，管壁厚度为36mm。因管径较1号岔管小，初步确定采用3-3-3布置，即主管，直支管，斜支管各用3个管节过渡。

图11　号岔管初拟结构平面图

3.2岔管的三维有限元计算

采用SDFEA程序计算，该程序基于正交曲线坐标系下的有限元理论开发，其等参曲壳单元描述管壳不同于通用程序的板壳单元，是国内最早的专用于工程中板壳组合结构的有限元分析程序之一。

3.2．1计算边界条件

为减少边界约束对钢岔管主体部分的影响，主直管和支直管长度分别取该处钢管半径的两倍以上，因结构上下对称，取岔管上半部分进行计算，上下结构的分界面施加对称约束。

在运行工况下，管内壁承受2.6MPa内水压力；各管节厚度及梁厚度均扣除2mm的锈蚀磨损裕度。假定3个直管管口，因管道和回填混凝土的限制，无轴向位移。

在水压试验工况下，依规范规定水压试验压力为1.25倍设计压力，即岔管管内壁承受3.25 MPa内水压力；两支管管口施加轴向结点力，其轴向结点力的合力与半个封头上所受压力总和相等，主直管管口施加轴向约束。结构厚度不扣除锈蚀磨损裕度。

3.2．2岔管结构离散

1）1号岔管结构离散。对1号岔管结构离散划分有限元单元，共产生1721个单元，4445个单元结点。

2）2号岔管结构离散。对2号岔管结构离散划分有限元单元，共产生1354个单元，3562个单元结点。

3.2．3岔管的应力计算

采用SDFEA程序计算岔管的应力，按照以下思路进行结构优化调整。

1）调整岔管各管节锥顶角和公切球半径：岔管相邻管节母线的转折角大小直接影响到相邻管节连接部位的应力集中程度，而调整各管节锥顶角可以改变这些转折角的大小，从而改变各管节连接部位的应力集中程度，这是改善岔管应力分布最为有效的方式。调整公切球半径是为了使相邻管节母线的长度均匀化，并满足管节最小长度要求，这对管壁应力也有影响，一般增大公切球半径会增大管壁应力，反之则减小管壁应力。通过各管节锥顶角和公切球半径的调整可以得到应力分布相对均匀的结构。

2）调整管壁厚度：调整管壁厚度的目的是为了获得满足材料允许应力要求的管壁厚度，以及如果选用不同的钢材其所对应的管壁厚度。

3）调整肋板厚度和肋宽比：调整肋板厚度和肋宽比是为了获得在一定的肋宽比下满足材料允许应力的肋板厚度，以及如果选用不同的钢材其所对应的肋板厚度。

3.3岔管的体形参数

经方案比较计算，最终确定工程岔管1号，2号岔管及其肋板均采用Q390C钢材。

1）1号岔管体形参数。1号岔管分岔角为84°，斜支管轴线与水平线的夹角为60°，岔管为4-4-4布置，岔管平面结构布置如图2所示（图中体形参数参见表1）。1号岔管管壁厚42mm，肋板厚80 mm，肋宽比为0.25。

2）2号岔管体形参数。2号岔管分岔角为60°，管节6，9轴线的夹角为60°，采用3-3-3布置即主管，直支管，斜支管各用3个管节过渡），2号岔管管壁厚度为34mm，肋板厚度为80mm，肋宽比为0.35。

4　结语

通过对盖下坝水电站岔管的结构设计及有限元计算分析，对大型明钢岔管设计作如下几点总结：

1）现行的水电站压力钢管设计规范的岔管计算方法采用结构力学分析法。此方法为中小型工程设计提供了可靠的理论支持，对于大型和重要的水电站，宜采用有限元分析方法设计钢岔管，它可以更精确地求得管壳及肋板局部部位的应力大小及应力分布情况，这为比较精确的岔管设计提供依据。

表11　号岔管管壳结构几何参数

2）明岔管在内水压力作用下，其变形特点是岔管顶底向外位移，两侧向内位移。这种不均匀的变形使得各个管节的腰线转折处有较大的局部应力和肋板内缘应力大，所以岔管的各个腰线转折处和肋板内缘是设计必须关注的控制部位，在第二主曲率半径大的腰线转折部位取较小的折角有利于降低该处的应力集中程度。

3）岔管档部由于受肋板加强约束作用影响，刚度增加，应力较之岔管腰部母线转折处并不高，并不是结构的薄弱处，因而该处可不作为岔管结构的应力控制部位。

4）同样因受到肋板的加强约束作用影响，岔管顶点处的膜应力并不高，但岔管顶点附近区域存在较高的局部峰值应力，属于弯曲应力，并具有自限性。比起腰线转折处和肋板腰部内缘处，该处不是岔管设计的关键应力控制部位，但由于其峰值应力较高，岔管的结构设计中需要关注该部位应力的变化情况。

TV74

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1002－0624（2015）10－0008－03

2015-03-21