埋入式压力引水钢管静动力响应分析

叶 琦，刘 智

（1.江西省赣抚平原水利工程管理局，江西南昌，330096；2.江西省水利科学院，江西南昌，330029；3.江西省鄱阳湖流域生态水利技术创新中心，江西南昌，330029）

0 引言

近年来，水利工程中利用压力引水钢管进行引水、调水的案例比比皆是，埋入式引水钢管更是其中的主要形式。但在获得结构形式便利的同时，也存在一些问题，如坝体内的弯头部位和接口部位受力情况异常复杂，尤其是在非常规地震荷载的作用下，其动力响应的研究显得尤为关键。当前国内外学者对于埋入式引水钢管的研究多集中于静力工况，单柏翔等[1]以辽宁省重点输水管线工程中的某一局部钢管段为例，通过数值仿真分析，找出影响承插口变形大小的主要原因；周理想等[2]根据预应力钢筒混凝土管的结构型式及特点，采用ANSYS 对预应力钢筒混凝土管的管身混凝土、钢筒、预应力钢丝以及承插口钢板进行了数值仿真模拟计算，找到了结构中的薄弱环节；孙艳秋等[3]从常规检测内容及要点入手，采用应力检测与有限元计算相结合的方法评估水电站压力引水钢管受力状况，对压力钢管安全检测和评估要点进行总结分析，可为水电站引水压力钢管安全检测评估工作提供参考。可见，目前对埋入式引水钢管工作性态的研究多集中于结构局部的静力分析，鲜有结构抗震分析的相关研究，因此开展埋入式引水钢管静动力响应分析十分必要。

本文以我国西南地区某Ⅰ等大（1）型水电站工程为例，枢纽工程由混凝土重力坝、升船机、泄洪建筑物、引水发电建筑物和变电站等组成。根据规范[4]的划分，结合国家地震烈度评定委员会的评价意见，认定该工程坝址区地震基本烈度为Ⅶ度，拦河坝按Ⅷ度设防。

1 工程参数

1.1 计算模型

本次计算重点分析对象为重力坝升船机坝段上闸首部位，整体模型包括升船机坝段上闸首、塔楼、下闸首及左右侧连接段，地基向上游、下游及底部方向均延伸了1.5 倍坝体高度。整体模型细化了上闸首部位，并建立了引水钢管、引水口和阀室等细部结构，其中闸门和引水钢管均采用板单元模拟，其余部位则用实体单元模拟。模型共有191 229 个单元，219 023 个节点，其中1 940 个板单元，具体模型见图1。

1.2 材料参数

工程中坝体不同部位所采用的各强度混凝土性能参数见表1。

表1 混凝土强度设计值与弹性模量 N/mm2

根据《规范》[5]规定，结构抗震计算中，动态强度参数取静态1.2 倍，动态弹性模量取静态1.5 倍。

1.3 荷载参数

本文采用反应谱法进行计算，该方法是一种通过振型叠加法推导得出的近似方法，避免了人为选择地震加速度而出现的不必要误差[6-8]。根据工程所在地区坝址基岩场地地震动参数，场地谱最大代表值按升船机坝段混凝土建筑物取βmax=2.6，特征周期tg=0.6s，根据以上参数可得出工程所在地区的场地谱如图2所示。

图2 工程所在地区场地反应谱

2 静力分析

2.1 位移分析

引水钢管在静力工况下位移的分布如图3所示。由图可见，横向变形主要出现在钢管左右两侧，竖向变形主要出现在钢管上下两侧，且均在下三岔管处出现较大位移，这主要是由于引水钢管上部有一半埋设在坝体内，而下部三岔管处于空腔内的原因。z 向位移沿钢管呈环状分布，越往上位移越大。其中x 向最大位移为0.875mm，出现在下三岔管处；y 向最大位移为2.575mm，出现在钢管中部；z 向最大位移为-10.510mm，出现在钢管上部。

图3 引水钢管位移分布等值线图

2.2 应力分析

静力工况下拉应力区主要分布在引水钢管阀室段未埋部分和阀室表面，压应力区则主要分布在引水钢管坝段内埋藏部分。

图4 给出了引水钢管周边混凝土的第一主应力分布图，可以看出，进水口处上下侧主要受拉应力，左右侧主要受压应力；阀室顶部两侧与坝体接触处、镇墩边角处均存在应力集中现象，但各部位的应力值小，均未超过允许值（见表1），在静力作用下压力引水钢管的工作性状较好。

图4 引水钢管周边混凝土第一主应力分布图（MPa）

3 反应谱法动力响应分析

反应谱法动力响应分析中的荷载包括：静力荷载、动水荷载以及场地谱设计地震荷载。根据《规范》[5]中抗震设防等级划分，主体工程为甲类抗震设防，基岩水平峰值加速度采用0.35g；非壅水建筑物为乙类抗震设防，基岩水平峰值加速度0.23g，竖向加速度代表值取水平向设计加速度代表值的2/3。

振型分解反应谱法应力计算是将静力按照最不利方式与动力进行叠加计算，因此此处的应力值只能反映结构应力响应最不利的可能。由图5 可见，在进水口的下侧边缘处出现明显的应力集中现象，应力响应较大；阀室顶部板与坝体衔接处应力响应较大；引水钢管在钢管上部出现应力响应集中点，此处为钢管与混凝土交界处，而裸露在坝体空腔内的钢管在地震作用影响下应力响应较小。因此，在非常规地震荷载作用下，埋设在坝体混凝土内的引水钢管需要重点关注，特别是转弯处与接口处。

图5 地震作用下压力引水钢管关键部位应力等值线分布图

4 结论

本文以西南地区某Ⅰ等大（1）型枢纽工程碾压混凝土重力坝埋入式压力引水钢管为例，在常规静力分析基础上通过反应谱法开展动力计算，研究坝体内埋入式压力引水钢管在场地谱设计地震作用下的应力分布情况。得到以下结论：

（1）常规静力作用下，压力引水钢管的位移及应力均较小，分布规律与常规认识相同，静力作用下压力引水钢管能够保持良好的工作性状。

（2）动力作用下，压力引水钢管的进水口部位和阀室顶部均出现了较为明显的应力集中现象，在最不利静动荷载叠加时该区域混凝土局部小范围将超过其抗拉强度，需对这些部位进行配筋等针对性加强措施。

（3）动力作用下，压力引水钢管转弯及岔管接头处存在应力集中现象，与该部分相接的混凝土将超过其抗拉强度，同样需对该区域开展针对性的加强措施，以保障工程安全运行。