水平旋流内消能泄洪洞结构应力分析研究

梁 娟,杨 健

(1.广东粤源水利水电工程咨询有限公司,广东 广州 510635；2.中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州 510610)



水平旋流内消能泄洪洞结构应力分析研究

梁 娟1,杨 健2

(1.广东粤源水利水电工程咨询有限公司,广东 广州 510635；2.中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州 510610)

根据水平旋流内消能泄洪洞水力特性,旋转水流在水平旋流洞内形成的非均匀内水压力沿程变幅大,各部位结构受力差异大,不便于结构设计。该文利用有限元软件对水平旋流洞典型断面进行有限元分析,计算其应力分布,结合加筋和运行期放空的情况进行对比,分析其应力的分布特点和影响因素。结果表明,水平旋流洞末端的阻塞在减缓水平洞流速的同时,会引起局部应力增大,应考虑加环向钢筋等措施；当环向钢筋不能有效降低结构应力值时,可考虑设置钢衬或采用高标号混凝土,既可以提高隧洞的结构抗力,又可以起到防止和减轻空蚀的作用。

水平旋流洞；非均匀内水压力；结构应力

我国西南地区水利工程具有高落差、大泄量、窄河谷、枢纽消能布置困难的特点,如果采用传统的消能方式消能,不仅无法提高消能率,还会带来雾化、空蚀破坏、岸坡冲刷等新问题。为了解决高坝建设中的高速水流问题,研究将大尺度导流洞改建为永久式泄洪洞,旋流式内消能工能适应复杂的地形、地质条件,施工简单,并具有结构简单,布置灵活,消能率高的特点,是高坝建设中理想的消能方案[1]。

水平旋流内消能泄洪洞通过起旋发生装置(即起旋器)把竖井洞段的有压流转换为水平旋流洞的旋转水流,因水流能动量的急剧转变,旋转水流离心作用力以及水平旋流洞末端阻塞的水流约束作用,使水平旋流洞内形成非均匀内水压力,压力值沿程变幅大,各部位结构受力差异大,却只是参考常规隧洞设计规范进行结构设计。若水平旋流洞全洞按结构应力最大值设计,导致结构应力小的部位的钢筋混凝土衬砌的厚度过厚和配筋量过多,资金投入较大；若按结构应力平均值设计,则会使结构应力大的部位结构强度不足,在施工和运行过程中的稳定性产生影响。因此本文结合具体工程,从弹性理论的观点出发,在考虑围岩的应力作用和运行期内水压力的影响下,利用有限元软件对水平旋流洞典型断面(压力值差异大断面)进行应力变形仿真分析,分析水平旋流洞的衬砌结构以及围岩体应力的分布与变化规律,以便为设计和施工方案提供依据。

1 工程概况

某水电站正常蓄水位为1 842 m,水库总库容7.042亿m3。导流洞初步设计改建为水平旋流内消能泄洪洞,泄洪洞全长958.192 m,作用水头142.96 m,泄流量1 470.3 m3,由短有压进口和上水平洞段、竖井洞段、起旋器、水平旋流洞消能段、旋流扩散消能段与原导流洞六部分组成。水平旋流洞消能段流态复杂、流速较大、压力为非均匀内水压力,由水平旋流洞和阻塞段组成,是水平旋流内消能泄洪洞的重要组成部分,具体见图1。

2 水平旋流内消能泄洪洞原理和压力分布

水平旋流内消能泄洪洞是利用起旋器使竖井洞段的有压流转换为水平旋流洞段的旋转水流,由通气孔通入气体,利用贴壁旋转水流的离心力,形成空腔及径向流速梯度,加大内外流体层间的剪切力,使水体掺气、碰撞、并延长质点运动轨迹消耗大部分能量；同时离心力也增大了洞壁压力,使挟气水流发展到壁面而减小了空蚀破坏[2]；为了保证在高水头、大流量情况下水平旋流洞附壁流速维持在35～38 m/s以下[3],水平旋流洞末端增设阻塞,缩小出口面积,从而使水平旋流洞附壁流速降低,洞壁压力增大,水流旋转沿程增长,减小洞内空化空蚀的可能性。该水电站水平旋流内消能泄洪洞在上游库水位H/D=11.91时压力分布图见图2。

图1 水平旋流洞消能段体型示意

图2 水平旋流洞消能段压力分布示意(H/D=11.91)

水平旋流洞Z=0～2D为水流能动量的急剧转变段,洞壁压力有较大的下降。在起旋器内侧收缩面与水平洞顶部相贯处为水平旋流洞内的空腔旋流与起旋器出口的切向出流相交汇(起旋器出口低压区),形成较为复杂的剪切旋流,洞壁压力值变幅大,有些部位甚至有负压产生[4]。至Z=2～6.67D为水平旋流平稳段,洞壁压力随沿程略有减小,在750～950 kPa之间,四周洞壁压力在洞顶最小,洞底最大。到Z=6.67～8.33D为阻塞段,后接旋流渐变扩散消能段,空腔直径增大,水层厚度变薄,流速迅速增大,洞壁压力随沿程迅速降低至100 kPa左右。

3 结构应力计算及成果分析

3.1 计算模型及材料特性

根据压力分段区域,共分13个典型断面(见图1),起旋器低压区分4个断面(即Z/D=1.013、1.047、1.08、1.113),水平旋流平稳段分6个断面(即Z/D=2、2.917、3.833、4.75、5.667、6.583),阻塞段分3个断面(即Z/D=7、7.5、8.25)。

由于隧洞纵向长度远大于横向长度,因此可视作平面应变问题,同时考虑到旋流洞内水压力的非均匀性,本文采用二维计算模型对上述13个典型断面进行仿真分析,在隧洞上下左右分别取3倍洞径作为计算范围,模型左、右和下部边界施加法向约束,上部为自由边界,根据隧洞埋深情况,将上部土体重量换算成均布荷载施加在模型边界上。计算模型网格剖分图如图3所示。砼和围岩的材料物理特性见表1。

图3 计算模型网格剖分示意

表1 砼和围岩材料物理特性

3.2 计算成果

采用PLANLE42单元模拟砼和围岩,不考虑钢筋,计算应力分布。图4、5为低压区断面1、2第一主应力云图,图6为平稳段断面5第一主应力云图,图7、8为阻塞段断面11和12第一主应力云图,图9、10、11分别为放空情况下断面1、5、12第一主应力云图。图12、13为加筋情况下断面5径向和切向应力云图。

图4 断面1第一主应力云示意

图5 断面2第一主应力云示意

图6 断面5第一主应力云示意

图7 断面11第一主应力云示意

图8 断面12第一主应力云示意

图9 放空情况断面1第一主应力云示意

图10 放空情况断面5第一主应力云示意

图11 放空情况断面12第一主应力云示意

图13 加筋情况断面5切向应力云示意

图14 旋流洞内壁第一主应力分布示意

3.3 成果分析

1) 由图4～图8可知,起旋器出口低压区断面1～断面4第一主应力均大于等于0,为拉应力,最大值出现在洞顶偏左约18°附近,而其它断面均位于洞顶正上方或洞底中心,主要是因起旋器出口低压区位于水平旋流洞断面洞顶偏左0°～60°附近,内水压力值低,甚至出现负压,最大负压值位于洞顶偏左18°～36°,造成第一主应力最大值分布偏左。四个断面中第一主应力最大值出现在断面2洞顶偏左18°,为2.755 MPa。

2) 因水平旋流洞平稳段的内水压力分布比较均匀,6个断面应力分布基本一致,第一主应力均大于等于0,为拉应力,最大值均为2.34 MPa,且都出现在洞顶。

3) 阻塞段断面11第一主应力最大值为2.3 MPa,断面12第一主应力最大值为2.5 MPa,均为拉应力,都出现在洞底,这说明阻塞在减缓水平洞水流流速的同时,在阻塞末端引起局部应力增大,应考虑加环向钢筋等措施。

4) 考虑到运行期水平旋流洞放空的情况,断面1、5、12第一主应力最大值均为2.25 MPa,均出现在顶部。

5) 加环向钢筋后,水平旋流洞在泄水情况下,断面5第一主应力最大值降为2.3 MPa,径向和切向应力均比未加筋时有所减少,但不明显,可考虑设置钢衬或采用高标号混凝土,既可以提高旋流洞的结构抗力,又可以起到防止和减轻空蚀的作用。

4 结论

1) 旋流作用下所形成的非均匀内水压力对旋流洞结构的应力分布有一定的影响。根据旋流洞内水压力的分布规律,一般洞底的压力最大,此处第一主应力也较大。起旋器出口低压区第一主应力最大值为2.755 MPa,出现在断面2洞顶偏左18°附近,为整个水平旋流洞第一主应力的最大值,因此需加强该区域的结构。考虑到起旋器出口低压区有负压存在,泄洪时容易产生空蚀破坏,还需采用抗磨抗蚀材料和注意施工平整度。

2) 水平旋流洞末端的阻塞在减缓水平洞流速的同时,会引起局部应力增大,应考虑加环向钢筋等措施。

3) 当环向钢筋不能有效降低结构应力值时,可考虑设置钢衬或采用高标号混凝土,既可以提高隧洞的结构抗力,又可以起到防止和减轻空蚀的作用。

4) 实际旋流洞压力分布十分复杂,本次计算仅考虑各测点间压力线性变化的情况,未考虑旋流形成的空蚀空化现象。

[1] 牛争鸣,李建中,王永生.竖井进流水平旋转内消能泄水道的水力特性研究[J].应用基础与工程科学学报,1997(12)：58-62．

[2] 巨江,卫勇,陈念水.公伯峡水电站水平旋流泄洪洞试验研究[J].水力发电学报,2004(10)：88-91．

[3] 牛争鸣,洪镝,张浩博,等.公伯峡旋流泄洪洞的水力特性与原型观测[J].水力发电学报,2008(4)：27-30.

[4] 牛争鸣,李建中,王永生.竖井进流水平旋转内消能泄水道的空化特性[J].水利学报,1998(1)：44-49．

(本文责任编辑 马克俊)

Stress Analysis of Structure for Horizontal Vortex Inner Energy Dissipation Discharge Tunnel

LIANG Juan1，YANG Jian2

(1.Guangdong Yueyuan Conservancy & Hydro-power Engineering Consultation Co.,ltd，Guangzhou 510635；2.China Water Resources Pearl River Planning Surveying & Designing Co.,Ltd．Guangzhou，510610)

According to the hydraulic characteristics of horizontal vortex internal energy dissipation spillway tunnel, nonuniform inner water pressure formed by rotational flow in horizontal vortex tunnel has large variation range along the tunnel, and the force on each part of the structure is very different.It is not easy for structural design. In this paper, finite element analysis is carried out on the typical sections of horizontal vortex tunnel by using finite element software, the stress distribution is calculated, the situations of adding steel bar and discharging all water at runtime are compared,and the characteristics of stress distribution and effect factors are analysed.The block at the end of horizontal vortex tunnel slows flow velocity, at the same time, leads to local stress increases,some measures such as annular reinforcing steel bars should be considered.When annular reinforcing steel bars can’t effectively reduce the structural stress value,steel liner or high grade concrete should be considered.This can improve the tunnel structure resistance, and has the effect of preventing and mitigating cavitation erosion.

horizontal vortex tunnel; nonuniform inner water pressure ; structural stress

2016-01-20;

2016-02-15

梁娟(1983)，女，硕士，工程师，从事水工设计及咨询工作。

TV134

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1008-0112(2016)01-0036-05