吉沙水电站高压钢岔管外包混凝土的受力研究

张红梅，王志国

（中国水电顾问集团北京斟测设计研究院，北京 100024）

1 问题的提出

吉沙水电站引水系统总长约15.58 km，采用一管二机供水方式，在距厂房中心线35 m处布置岔管，岔管采用对称 “Y”形内加强月牙肋型钢岔管，分岔角为70°。岔管中心高程2588.5 m，设计内水压力约652.2 m水头，主管内径2.3 m，支管内径为1.4 m，按明管设计，管壳最大厚度为46 mm，岔管布置在洞外，采用明挖回填，外设钢筋混凝土镇墩，碎石回填至2599.15 m高程。

为加快施工进度，高压管道下平段采取了提前进洞的措施，洞口岔管位置欠挖较大，进洞位置比设计开挖线少挖6 m多。施工过程中，由于种种原因一直没能实施扩挖，影响了岔管外包钢筋混凝土镇墩的施工，使镇墩体形达不到设计要求。后期厂房主体工程已施工完成，发电工期迫在眉睫，洞口为下平段钢管安装的唯一通道，洞口边坡高度较大，扩挖不仅施工场地小，影响厂房后边坡的稳定。如不扩挖，使下平段钢管进洞点位于岔管中心点下游1 m左右的位置，岔管主体一部分位于洞内，一部分位于洞外，使岔管外围约束不连续，且镇墩难以布置不能满足体积要求，同时镇墩基础为强风化板岩，变形模量较小，易产生不均匀沉陷，恶化了岔管受力条件。为实现发电目标，同时使岔管满足设计要求，应业主要求设计进行了减小扩挖量的方案研究。

2 有限元计算分析

2.1 有限元计算参数

为了计算分析地基沉降对钢管应力的影响、岔管与外包混凝土的受力状态以及二者在不同的条件下分担内水压力的比例，对岔管、外包混凝土及围岩整体进行了三维有限元计算分析，整体结构计算模型详见图1a。岔管模型及控制点位置见图1b。混凝土、钢材、垫层材料及围岩材料参数见表1。本文重点分析有代表性的工况组合。

图1 岔管整体计算模型

表1 混凝土、钢材、垫层材料及围岩参数

工况1:镇墩不均匀沉降工况 （施工期）。即镇墩混凝土自重作用下的不均匀沉降，施工期无内水。

工况2:镇墩不均匀沉降+内水压力作用+不考虑缝隙的完全联合承载工况。计算过程中在桩号S15+238.498和S215+254.060处设置了厚度为2.0 cm的软垫层。其中，桩号S15+238.498上游方向铺设长度为0.75 m，下游方向铺设长度为0.5 m。

工况3:镇墩不均匀沉降+内水压力作用+考虑缝隙的联合承载工况。假定初始缝隙为钢管半径的5/10000， 即0.575 mm。

工况4:镇墩不均匀沉降 +内水压力作用 +考虑缝隙+混凝土充分开裂的承载工况。假定初始缝隙为钢管半径的5/10000，即0.575 mm，混凝土充分开裂情况，本文采用降低外围混凝土变形模量方法模拟，分别降低为原混凝土的0.1和0.01。

工况5:镇墩不均匀沉降 +内水压力作用 +不考虑缝隙+混凝土充分开裂的承载工况。混凝土充分开裂情况，本文采用降低外围混凝土变形模量方法模拟，分别降低为原混凝土的0.1和0.01。

以下计算成果分析中，将工况4放入工况3一并分析，工况5的情况和工况4近似不再赘述。

2.2 计算成果分析

工况1——镇墩不均匀沉降工况:在自重作用下，发生不均匀沉降，最大位移为0.94 mm，并在钢管跨缝位置产生一定的应力集中，由于没有内水压力作用，岔管整体应力不大，过缝处的钢管等效应力 （Mises）应力最大值为6.99 MPa，各控制点的Mises应力见图2。

图2 岔管各控制点的Mises应力

从图2可看出，控制点A位于洞内洞外混凝土分缝处，应力集中较大。肋板应力受不均匀沉降影响，最大应力区偏向了肋板下部中间，最大Mises应力为2.54 MPa。由于受围岩约束影响，上游部分混凝土产生一定的拉应力，最大拉应力为1.46 MPa。

工况2——镇墩不均匀沉降+内水压力作用下不考虑缝隙的完全联合承载工况:此工况为外包混凝土受力的最不利工况，外包混凝土分担岔管内水压力最大，钢岔管承担的内水压力最小。这是一种假想工况，实际外包混凝土与钢岔管表面肯定是存在缝隙的。此时分缝下游侧围岩变形模量为1.0 GPa，上游侧围岩变形模量取4.0 GPa。

在镇墩不均匀沉降和内水压力共同作用下，混凝土和钢管、肋板均呈现出不同的受拉状态，各控制点的Mises应力见图3。从图4～6中可看出，不考虑缝隙值的完全联合承载方案，除了过缝处铺设垫层位置的钢管应力超过200 MPa外，其余管段的钢材应力均在90 MPa以下。肋板的应力也不大，最大应力区位于肋板中部，最大Mises应力为81.67 MPa。

从图6可以看出，在内水压力作用下，混凝土承受较大部分水压力，出现大范围的受拉区域。其中，在管腰位置几乎全断面超过C20混凝土的设计抗拉强度，最大拉应力为8.1 MPa。

取岔管中心和支管两个断面分析外包混凝土的应力，其中岔管中心断面可以作为主管和岔管段控制配筋的断面，支管断面可以作为支管段控制配筋的控制断面计算各截面的合力、配筋及分担内水压力的比例 （如表2所示）。

从表2可看出，岔管中心断面的混凝土承担了很大部分的水压力，在左右腰部位置，分担了75.7%的内水压力，要求的配筋面积达到了176.29 cm2；支管断面的混凝土承担的内水压力较小，但最大也达到了65.2%，要求的配筋面积为75.12 cm2。

图3 岔管各控制点的Mises应力

图4 不考虑缝隙时钢管Mises应力（单位:MPa）

图5 不考虑缝隙时肋板Mises应力（单位:MPa）

图6 不考虑缝隙时混凝土第一主应力（单位:MPa）

工况3（4）——镇墩不均匀沉降+考虑缝隙的联合承载工况 （+混凝土充分开裂）。实际上，外包混凝土与钢岔管表面是存在缝隙的，缝隙值的大小与混凝土的收缩量、施工质量有很大关系。本文假定初始缝隙为钢管半径的5/10000，即0.575 mm。此时钢管在内水压力作用下，向外变形，首先填满缝隙，钢管单独承担一部分水压力，然后与外围混凝土联合承担余下水压力。

表2 控制断面配筋计算

在镇墩不均匀沉降和内水压力共同作用下，混凝土和钢管、肋板均呈现出不同的受拉状态，各控制点的Mises应力详见图7中工况3及图8～10。

图7 岔管各控制点的Mises应力

图8 考虑缝隙的联合承载时钢管Mises应力（单位:MPa）

图9 考虑缝隙时肋板Mises应力（单位:MPa）

从图7～10中可看出，对于考虑缝隙值的完全联合承载方案，与工况2相比，钢管的整体的拉应力有明显增加，C点的应力增加最多，增加了90.6 MPa；但在垫层附近的应力集中现象明显降低，A点的位应力降低了32.6 MPa。而由于肋板外侧未考虑缝隙值，因此肋板应力增加幅度不明显，最大应力区位于肋板中部，最大Mises应力84.5 MPa，比工况2增加了2.8 MPa。同时，由于混凝土联合承担的水压力部分降低较多，因此混凝土应力也有较为明显的减小，最大拉应力3.7 MPa，比工况2降低了4.4 MPa；但混凝土仍呈现全断面受拉状态。

图10 考虑缝隙时混凝土第一主应力（单位:MPa）

取岔管中心和支管两个断面分析外包混凝土的应力 （其中岔管中心断面可以作为主管和岔管段的控制配筋断面，支管断面可以作为支管段的控制配筋控制断面），计算结果见表3。

表3 控制断面配筋计算

从表3可看出，考虑缝隙影响后，外围混凝土应力大幅减小。岔管中心断面混凝土仍承担了较大部分的内水压力，在左右腰部位置分担了30.87%的内水压力，要求的配筋面积也达到了58.41 cm2；支管断面混凝土承担的内水压力部分较小，但最大也达到了22.34%，要求的配筋面积为25.73 cm2。

由此可见，即使岔管按明管设计，考虑一般施工条件形成的施工缝隙，由于岔管变形，仍将使外包混凝土产生较大拉应力。这也是实际工程中，大部分明管镇墩和外包混凝土开裂的原因。

在内水压力作用下，假定混凝土充分开裂，此时混凝土的弹性模量取为原来的0.1来计算各控制点的Mises应力 （见图7中工况4）。从图7可看出，混凝土充分开裂后，与工况3相比，除过缝处，即除A点外，其余部位的钢管和肋板应力都有明显增加。进一步降低外围混凝土的变形模量，取原有混凝土变形模量的0.01计算各控制点的Mises应力见图7中工况5。从计算结果可以看出，除过缝处钢管，即A点外，其余部位的钢管和肋板的应力进一步增加。其外围混凝土几乎不起作用，钢管整体应力水平与明管方案相当，甚至肋板上局部点的应力已经超过明管方案。

3 结论

（1）施工期，岔管洞内洞外部分扩挖方案的镇墩混凝土重力作用造成基础岩石沉降，但数值不大，最大位移为0.94 mm；而对运行工况岔管混凝土洞内洞外交界处钢管的应力影响较大，引起了明显的应力集中。

（2）在考虑镇墩基础不均匀沉降的基础上，考虑混凝土与钢岔管完全联合承载且不考虑初始缝隙时，钢管整体应力状态均较小，数值普遍在65 MPa以下，肋板上仅仅出现了81.67 MPa的最大值，但是上游钢管过缝处出现了一定的应力集中，局部的最大主应力达到了235.236 MPa；而此时混凝土承担了很大部分的内水压力，在主管基本锥和过渡锥相贯线断面位置，分担了75.7%的内水压力；支管断面混凝土承担的内水压力部分较小，但最大也达到了65.2%。混凝土出现了较大范围的拉应力超过混凝土设计抗拉强度的区域，其中在管腰位置几乎全断面超过C20混凝土的设计抗拉强度，最大拉应力为 8.1 MPa。

（3）在考虑镇墩基础不均匀沉降影响的基础上，同时考虑初始缝隙的影响时，钢岔管分担的内水压力有所增加，C点的局部最大主应力已达到157.8 MPa，比不考虑缝隙的工况应力增加了101.3 MPa，但比明管不考虑外包混凝土状态的应力减小了67.3 MPa；而此时混凝土承担了较小部分的内水压力，在主管基本锥和过渡锥相贯线断面位置，分担了30.87%的内水压力；支管断面混凝土承担的内水压力较小，最大为22.34%。混凝土拉应力超过其设计抗拉强度的区域有了明显减小。由于混凝土联合承担的内水压力降低较多，因此混凝土应力也有较为明显减小，最大拉应力为3.7 MPa，比不考虑缝隙降低了4.4 MPa；但混凝土仍呈现全断面受拉状态。

（4）在考虑镇墩基础不均匀沉降的基础上，考虑混凝土在内水压力作用下充分开裂。本文分别按开裂后的混凝土变形模量为原有模量的0.1和0.01计算，结果表明:随着混凝土变形模量的减小，钢管承担的内水压力逐渐增大，其应力也逐渐增加，后者的钢管应力基本与明管方案相当。