引水隧洞钢筋混凝土岔管结构特性分析与配筋优化

曲磊

（辽宁省水利水电科学研究院 辽宁沈阳 110003)

埋藏式钢筋混凝土岔管结构是一种复杂的空间结构。传统的水工遂洞设计方法是按照结构力学理论，视衬砌为承载主体，围岩则作为荷载或者仅提供被动抗力施加到衬砌上，没有利用围岩的承载作用。事实上围岩承载潜力巨大，是承载的主体，而衬砌则仅作为保护围岩，改善过流糙率，以及承载局部不稳定块体和破碎岩体荷载等目的而采取的工程措施。

由于岔管结构属于体型复杂，对安全性要求较高的结构物，通常对其进行有限元分析。本文根据相关资料，运用大型有限元分析软件对某水库工程的发电引水隧洞的岔管部分进行了三维有限元分析，对岔管的结构特性进行了研究。

1 工程概况

某水电站按 100年一遇洪水设计，5000年一遇洪水校核。水库汛期限制水位 205.0m，汛后正常蓄水位208.0m，死水位180.0m。最高发电水位211.58m，水库特征水位见表1。工程区地震基本烈度为Ⅶ度。

水库工程的发电引水隧洞由进水口、上平洞、调压井、斜井、下平洞、岔洞以及两条支洞组成。发电引水隧洞的岔管部分，为钢筋混凝土衬砌。主管衬后直径6m，衬砌厚度为1.0m。支管衬后直径为3.8m，衬砌厚度为0.8～1.0m。岔管为Y型分岔，分岔角为40°。

岔管采用的混凝土强度等级为C25，钢筋用Ⅱ级钢。岔管处围岩为Ⅰ～Ⅱ类。衬砌顶拱回填灌浆压力取0.3MPa。

表1 水库特征水位

2 岔管空间有限元模型的建立

2.1 有限元计算软件

计算软件采用具有世界先进水平的大型通用有限元分析软件ANSYS 9.0。该分析软件有强大的前、后处理和计算分析功能，并且能有效地保证计算成果精度。该软件曾完成多项工程的结构分析研究工作，均取得了理想的应用效果。

2.2 岔管结构尺寸

岔管结构尺寸见图1。

图1 引水隧洞平面图

2.3 计算范围

对埋藏式钢筋混凝土岔管进行有限元分析时，由于受到网格划分密度以及计算机容量的限制，在尽量满足计算精度的前提下，要采用较小的范围。常规的遂洞计算在弹性力学里属于无限大弹性体的中央孔口问题。通常情况下围岩的计算范围为孔径的5倍左右。因此，以岔管主管轴线为中心线，上下、左右各取15m作为分析范围。

2.4 基本假定和边界条件

计算段围岩、混凝土结构等均近似假定为各向同性、均匀连续的弹性体。离散域下岩石外边界设置三向约束。

2.5 有限元网格离散

采用空间有限元进行电算（线弹性)。为了保证模型与真实结构的相似性，建模采用三维实体建模，围岩和衬砌均采用6面体8节点等参单元进行模拟。对建立的三维实体模型进行有限元离散，共得到70220个单元。有限元模型如图2～3所示。

2.6 计算坐标系约定

为了便于建模和成果整理，计算中采用整体直角坐标系和局部坐标系，现分别约定如下：

整体直角坐标系：坐标原点定在支管端面与其轴线的交点上，水平方向为x轴，竖直方向为y轴，支管逆水流方向为z轴。

局部坐标系：局部坐标系采用柱坐标系，柱坐标系的X方向指向径向，Y方向指向环向。

图2 围岩及岔管模型剖面图

图3 岔管模型图

3 有限元计算结果分析

考虑五种荷载组合进行电算，得出岔管在五种工况下的应力和应变分布。本文给出了岔管典型截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ（如图 4所示)在五种工况下的应力和应变分布图。

图4 典型截面位置分布图

3.1 各工况组合情况

根据水库在不同水位情况下的控制运用情况，给出五种荷载组合见表2。

表2 各工况组合表

3.2 各工况计算结果分析

工况一：岔管主管环向应力为 0.54～1.39MPa之间，支管0.3～2.66 MPa之间。应力较大值出现在两支管相交部位，较大值5.3Mpa，为应力集中值。

工况二：岔管环向应力为-2.5MPa～ 1.0MPa之间。压应力较大值出现在两支管相交部位顶端内部，大小为-4.7Mpa，拉应力较大值出现在两支管相交部位顶端外部，大小为 0.5Mpa，均为应力集中值。

工况三：岔管主管环向应力为0.5～1.3MPa之间。支管0.6～4.2MPa之间，应力较大值出现在两支管相交部位，5.0Mpa，为应力集中值。

工况四：岔管环向应力为-12.8MPa～1.0MPa之间。压应力较大值出现在两支管相交部位顶端内部，大小为-12.8Mpa，拉应力较大值出现在两支管相交部位顶端外部，大小为 1.0Mpa，均为应力集中值。

工况五：岔管主管环向应力为0.58～1.5MPa之间，支管0.6～3.0MPa之间。应力较大值出现在支管平面部分向圆弧部分过渡区域，以及两支管相交部位。

3.3 衬砌各典型断面内力分析

有压隧洞内水压力对衬砌的内力影响最大。当岔管在工况五下，承受的内水压力最大，因此选取工况五为控制工况。根据有限元计算结果得此工况下岔管各断面内力值如表3所示：

表3 岔管各截面内力值

3.4 围岩特性模量对岔管衬砌应力的影响

控制工况下（工况五)分别取围岩弹性模量为 1.9×1010Pa、2.15×1010Pa、2.4×1010Pa时，对岔管和衬砌进行计算，分析围岩弹性模量对衬砌应力的影响。不同围岩弹模下岔管各控制断面环向应力值如表4，图5所示∶

表4 不同围岩弹模下岔管各控制断面环向应力值

图5 不同围岩弹模对岔管环向应力的影响

3.5 岔管配筋分析

（1)工况五下，根据有限元计算内力结果对岔管混凝土衬砌进行双层对称配筋，按混凝土未出现裂缝进行。配筋主管、支管、主支管结合部取内力最大断面π/2、3π/2、π/2断面，即水平断面为控制断面。根据下式

计算得：

主管配筋率：μ=0.42%

支管配筋率：μ=0.28%

主支管结合部配筋率：μ=0.37%

（2)工况五下，根据《水工钢筋混凝土结构设计规范》（SL/T 191-96)中的拉应力图性配筋方法进行配筋。配筋主管、支管、主支管结合部取环向力最大断面π/2、3π/2、π/2断面，即水平断面为控制断面。根据式（4)

计算得∶

主管配筋率：μ=0.42%

支管配筋率：μ=0.75%

主支管结合部配筋率：μ=0.45%

综合1、2计算结果，建议主管配筋率可取μ=0.42%，支管配筋率μ=0.75%，主支管结合部配筋率μ=0.45%。

4 结论

（1)岔管是典型的复杂空间结构,必须通过三维有限元分析才能对地下钢筋混凝土岔管的应力状态和工作性能作出较为正确、全面的认识和判断。本研究通过对岔管进行有限元分析，根据得到的应力结果对截面进行配筋，更可以定量化地指导和优化工程设计。

（2)对有限元分析结果进行分析发现，几种工况下在岔管分岔角处的应力值都比较大，存在着明显的应力集中现象。所以在设计和施工时，应对岔管分岔角进行修圆处理，缓解应力集中现象。

（3)在内水作用下衬砌全截面受拉，衬砌内壁的拉应力大于外壁的拉应力。衬砌的最大拉应力均出现在管腰水平位置处。

（4)在外水作用下, 岔管衬砌中各个截面的环向应力多为压应力, 砌内的最大压应力也出现在管腰水平位置处。衬砌内壁的压应力大于外壁的压应力，小于混凝土的抗压设计强度。因此在进行放空检修时，岔管不会出现受压破坏现象。

（5)随着围岩弹性模量的增大，围岩对岔管的约束也随着增强，围岩的弹性抗力增加。在内水、外水压力作用下，衬砌的应力和变形，均相应减小。

（6)为加强围岩与衬砌的共同作用，需对围岩进行回填灌浆和高压固结灌浆，充分利用围岩和混凝土衬砌联合作用抵御内水压力和外水压力，节省工程造价，获得更大经济效益。

1.王志祥,梁志钊,孙国模,等.管道应力分析与计算[M].北京：水利电力出版社,1983.

2.DL/T5195-2004, 水工隧洞设计规范.

3.田斌,刘启钊.大型地下钢筋混凝土岔管工作性态研究[J].武汉水利电力大学学报,1998,(2)∶6-12.

4.韩前龙,伍鹤皋,苏凯,等.地下钢筋混凝土岔管应力分析[J].武汉大学学报(工学版),2005,38(3)∶31-35.

5.苏凯.水工隧洞钢筋混凝土衬砌非线性有限元分析.岩石力学,2005,26(9)∶1485-1490.

6.韩华超.长甸水电站钢筋混凝土岔管三维有限元分析[J].东北水利水电,2004,(10)∶7-10.

7.邓柏旺.地下钢筋混凝土高压岔管围岩稳定与衬砌结构分析[D].南京∶河海大学,2007.

8.胡建兰,杨庆,马文亮,等.水电站钢筋混凝土岔管结构受力分析[J].人民黄河,2008,30(6)∶75-77.

9.任旭华，徐海奔，束加庆.地下水工隧洞围岩及钢筋混凝土岔管结构数值分析[J].四川大学学报：工程科学版,2009,41(4)∶8—13.