龙头石水电站尾水锥管钢闷头结构三维有限元分析

2013-10-23朱万强

水电站设计 2013年4期

童伟，朱万强，刘洋，程鲲

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072;2.黄河中上游管理局，陕西西安 710000)

1 工程概况

龙头石水电站位于雅安市石棉县境内安顺场上游约10km处，为大渡河干流规划调整推荐22级方案的第15梯级电站。电站的主要任务为发电，水库正常水位955.00m，水库总库容为1.38亿m3，具有日调节能力。电站装机容量700MW，为大(2)型水电工程。

由于施工进度安排和防洪度汛要求，拟对尾水锥管高程894.269m处采取钢闷头进行封堵。本文采用三维有限元分析计算手段，分析钢闷头在尾水荷载的作用下的受力状态，为钢闷头的设计提供一定的依据。

2 钢闷头结构有限元分析

2.1 三维有限元模型的建立

为了更加合理的反映尾水管钢闷头在尾水顶托作用下的受力状态，本次分析坐标轴约定:以钢闷头面为XZ面;以铅直向为Y轴，竖直向上为正。

计算模型模拟的范围为:Y方向(高程方向)为高程896.068～884.248m;XZ方向范围为整个尾水管的钢衬。三维有限元计算模型如图1所示，计算单元类型采用8节点6面体等参单元。

2.2 材料物理参数的选取

本次分析采用三维有限元静力分析计算。钢材物理力学参数特性如下:闷头直径:D=7.7m

图1 钢闷头有限元计算模型

2.3 计算主要参数及荷载组合

工况1计算尾水位(912.58m):尾水压力+自重

工况2计算尾水位(905.00m):尾水压力+自重

2.4 成果分析

2.4.1 位移成果

钢闷头在计算尾水位912.58m和905.00m的两种计算工况下分别承受了18.312m和10.732m水头的顶托作用。由于钢闷头与尾水锥管焊接在一起，在尾水位水头的顶托作用下，呈现中间向上凸起的特征，其中Y方向的向上变形工况1约为6cm，工况2约为3.5cm。由于周边的约束，两种计算工况下钢闷头的X和Z方向变形很小。钢闷头在工况1下Y方向的位移云图见图2所示。

2.4.2 应力成果

两种工况下，钢闷头在尾水荷载的作用下应力规律相似，都表现为引水侧受压，背水侧受拉的应力状态，其中主拉应力最大值出现在支撑钢闷头钢板中间梁的后缘，工况1最大拉应力值约为680MPa;主压应力最大值出现在钢闷头迎水面的未受钢梁支撑部位的中部，工况 2主压应力最大值约为205MPa。图3为工况1下钢闷头主拉应力云图。

图2 工况1钢闷头Y方向的位移云图(单位:m)

图3 工况1钢闷头主拉应力云图(单位:Pa)

2.4.3 措施安全性评价

表1为在两种计算工况下，闷头钢板背后钢梁的应力状态。

表1 钢梁最大应力成果 MPa

从表中的成果可以看出，钢闷头在18.312m和10.732 m水头的顶托作用下，闷头背水面的支撑钢梁的应力都超过钢梁自己的允许承载力。故在现有的支撑措施下，钢闷头的安全性达不到要求，需要对钢闷头进行加固处理。

3 钢闷头加固处理措施研究

为了合理的确定钢闷头的加固处理措施，在现有的闷头背水面钢梁的基础上采取增加闷头钢板背后钢梁数量或者增加在尾水锥管钢衬与钢闷头之间设置支撑梁的方案。

3.1 采取“增加钢梁”方案

在闷头钢板背后各钢梁中间增加一道钢梁，共增加10道钢梁，具体布置见图4所示。

图4 增加钢梁措施(单位:Pa)

计算工况采用尾水位为912.73m，即在水头18.462m的情况下，复核闷头的应力状态是否满足要求。增加了钢梁后，钢闷头的位移和应力分布规律如同加固前，但量值上都显著减小，其中Y方向位移最大值为2.71cm，钢梁上的主拉应力量值约为330MPa，主压应力量值约为94MPa。闷头主拉应力云图见图5所示。

图5 钢闷头主拉应力云图(单位:Pa)

从计算成果得知，钢闷头在尾水荷载的作用下，钢梁的主拉应力值达到330MPa，超过Q235的允许应力值。故增加钢梁数量的措施，达不到要求。

3.2 采取“增加钢梁+槽钢支撑”方案

从以上计算成果看出，单纯增加闷头背后钢梁数量的措施，钢梁的主拉应力还是大于允许应力值。故在增加钢梁加固措施的基础上增加槽钢支撑(槽钢型号为20a)，同时减少闷头最外边缘的4根钢梁。计算模型如图6所示。计算工况复核在水头18.462m的情况下，钢闷头和支撑槽钢的应力状态是否满足要求。

计算模型的Y方向位移、主拉应力及XZ方向的剪应力云图见图7～9所示。

从图中可以看出，增加了槽钢支撑后，闷头的位移和应力分布规律如同加固前，从量值上都有所改观，其中Y方向位移最大值为0.55cm，钢梁上的主拉应力量值约为95MPa，主压应力量值约为29MPa，在xz平面上的剪应力最大值约为30MPa。槽钢支撑梁应力状态表现为压应力，最大主压应力值为130MPa，满足要求。