软岩基础上4H型尾水管扩散段结构设计

邰春亮

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概况

小山口水电站属中型Ⅲ等工程，电站厂房按3级建筑物设计。地震动峰值加速度为0.2g，相应地震基本烈度为8度。

2 软岩基础上尾水管设计

尾水管是厂房水下建筑的主要承重和过水结构，它是厂房的过流部件之一，它的形状及尺寸由制造厂家通过模型实验确定，尾水管有直锥型和弯肘型两种。大中型水电站均采用弯肘型，可减少厂房开挖高度。弯肘型尾水管由进口锥管、肘管、出口扩散段三部分组成，尾水锥管段因离水轮机很近，水流乱、流速大，故一般设有金属里衬。肘管段一般不设金属里衬，但当水头大于150m，或尾水管平均流速大于6m/s时，以及水中含沙量较大的电站，可考虑设里衬。而扩散段因断面变大后流速降低，一般不设钢材，而用钢筋混概土制作。尾水管是连接水轮机转轮出口与尾水渠的管道结构。

2.1 4H型尾水管基本结构

4H型尾水管基本结构形式如图1所示。

图1 4H型尾水管结构图A—圆环面；B—斜圆锥面；C—斜平面；D—水平圆柱面；E—垂直圆柱面；F—立平面；G—水平面。[2]

2.2 基本假定及结构内力

2.2.1基本假定

(1)在如图2所示的4H型尾水管中，在垂直水流方向选取4个计算断面，在各断面处切取单宽截条按平面问题进行计算。

(2)考虑各断面的计算情况多数以机组检修为控制，故以下仅计算机组检修情况，此时电站下游尾水位为1277.23m。

(3)尾水管承受荷载包括尾水管自重、蜗壳重、风罩、机墩重及机电设备重等。尾水管以上二期混凝土及机电设备重均按均布荷载考虑。

(4)不考虑混凝土的温度应力。[2]

(5)由于底板厚度与墩墙厚度接近，并且地基为泥岩，所以扩散段按弹性地基上的框架计算。[3]

2.2.2软岩基础上扩散段结构内力(4- 4断面)

4- 4断面结构尺寸如图3所示，框架各杆件的跨高比均大于1/5。因此考虑节点刚性及剪切变形的影响，计算简图如图4所示。

(1)荷载计算

顶板荷载q1=58.12kN/m2(结构自重+水重)

底板荷载q2=59.85kN/m2(浮托力-底板自重)

图2 尾水管横剖面图

图3 4- 4断面结构尺寸

图4 计算简图

外水压力q3=25.915kN/m2

左墩自重p1=362.865kN/m2

中墩自重p2=206.761kN/m2

右墩自重p3=258.451kN/m2

(2)形常数计算

框架各肢相对线性刚度

同理，i2=0.067，i3=0.130，i4=0.020，i5=0.021，i6=0.048，i7=0.052

转角分配系数

节点B：μBC=-0.026，μBA=-0.474

节点C：μCB=-0.092，μCF=-0.310，μCD=-0.099

节点D：μDC=-0.070，μDE=-0.430

节点E：μED=-0.357，μEF=-0.143

节点F：μFA=-0.145，μFC=-0.200，μFE=-0.156

侧移分配系数

纵向：

(3)第一次计算

假定地基反力为线性分布，如图4所示。

根据整体平衡求地基反力：

由∑Y=0得：

(1)

由∑MA=0得：

(2)

由(1)、(2)式可得：q5=97.844kN/m2，q6=46.066kN/m2

楼层弯矩

纵向BCFA框架：

∑P=-362.87kN，∑Q=-235.17kN；

Mr=-247.77kN·m

纵向CFED框架：

5.417=307.15kN

∑P=-68.06kN，∑Q=-149.74kN；

Mr=147.48kN·m

横向：Mr=0kN·m

各肢固端弯矩

=-164.11kN·m；

=-142.12kN·m；

=399.84kN·m；

节点不平衡弯矩

弯矩分配见表1。

表1 杆端弯矩计算表(力矩分配法) 单位kN·m

求地基反力：

=126.358kN；

QCB=211.957kN；QCD=203.862kN；

QDC=110.972kN；

作用于底板上的荷载为:

NA=489.223kN；NF=622.579kN；NE=369.424kN；q2=59.85kN/m2

属长梁性质。

特征长度：

查郭氏表求地基反力，计算结果见表2。

由∑M′A=0得，P5=223.68kN

地基反力图如图5所示。

图5 地基反力图

(4)重复迭代计算

按节点不平衡弯矩及楼层弯矩，用迭代法再进行弯矩分配，并求地基反力，计算后得到新的地基反力，这样迭代四次后，精度已满足工程要求。本工程的最后一次的计算成果绘制成内力图如图6所示，最后一次的弯矩分配计算见表3。

图6 4—4断面弯矩图

3 结语

软岩基础上扩散段结构内力计算中，应考虑节点刚性及剪切变形的影响；软岩基础对扩散段整体框架内力影响非常大，底板反力不能简单按线性均匀分布考虑，计算中需要使用郭氏表中长梁系数表。

软岩基础上4H尾水管扩散段按弹性地基上整体框架计算，计算过程较复杂，但计算结果更能反应结构实际的应力情况。

尾水管框架转角处是产生应力集中的部位，其应力分布与内折角的形状有关。内折角越平缓，应力集中越小。

表2 地基反力计算表 单位：kN·m

表3 杆端弯矩计算表 单位kN·m