对敷设在下游坝面的高水头大直径压力管道力学性能的研究

敷设在下游坝面的高水头大直径钢衬钢筋混凝土压力管道是近年来发展起来的一种新型管道布置方式及结构型式。笔者通过对李家峡水电站下游坝面压力管道的原型仿真材料结构模型试验,研究了在内水压力作用下压力管道的钢衬、钢筋、混凝土的应力状态及混凝土的弹性变形,以及管道的开裂特征和破坏机理。研究成果表明,压力管道在开裂前,钢材处于低应力状态,混凝土承担大部分内水压力;压力管的钢材、钢筋、混凝土能够可靠协调地联合作用;作为下游坝面压力管道的设计,不一定强求初裂荷载大于设计工作荷载,否则会增加材料用量;混凝土微裂纹对开裂的影响及微观机理,尚须进一步研究。     

基于ANSYS的坝后浅埋管管道外包混凝土厚度研究

本文以某水电站为例,通过ANSYS软件对管道结构进行非线性有限元计算分析,对坝后浅埋管在内水压力作用下的管道承载能力进行研究。研究了7种计算方案的坝后浅埋管管道在内水压力作用下的承载规律,分析了不同外包混凝土厚度和不同的钢筋布置方式对管道结构受力、开裂情况和管道外包混凝土位移情况的影响。研究分析表明,坝后浅埋管外包混凝土衬砌厚度选择1.5m是合适的,而钢衬采用Q345钢,钢筋采用III钢筋能够满足安全要求。另外,钢筋布置时,内侧布置1层钢筋,外侧布置2层钢筋对限制裂缝宽度有利。     

坝后背管结构力学弹性中心法的应用

简要介绍了坝后背管结构力学弹性中心法，并利用结构力学弹性中心法对国内外已建坝后背管工程和地面外包混凝土钢管工程进行结构分析和配筋优化。分析发现，坝后背管外包混凝土的外圈钢筋应力大于内圈钢筋应力和钢管应力，外包混凝土厚度设计基本合理，但在钢筋布置上值得进一步优化。结构力学弹性中心法计算结果可靠，方法简便。     

龙开口电站钢衬钢筋混凝土坝后背管非线性分析

龙开口水电站采取钢衬钢筋混凝土坝后背管的结构形式。应用非线性有限元理论,分析得到了该坝后背管结构的承载规律,研究了钢衬和外包钢筋混凝土的应力、位移分布规律,以及钢衬的承载比例。分析结果表明,随着内水压力增加,钢管承载比例系数经历了减小、增加、再减小的过程;在设计水头作用下,坝后背管结构安全系数满足设计要求。钢衬钢筋混凝土坝后背管是一种经济、安全、合理的结构形式,应用前景广阔。     

设置软垫层坝后背管接触非线性有限元分析

 以三峡水电站坝后背管为例,借助有限元软件ANSYS建立了坝后背管设置软垫层与内衬钢管面摩擦接触有限元模型,考虑接触非线性和混凝土开裂非线性,分析计算了设软垫层坝后背管、钢筋的受力性态及混凝土的开裂情况,结果表明：垫层能有效减小钢管向外围混凝土传递的内水压力,提高钢管的承载比,改善外围混凝土的应力状态。对设置软垫层的提出了优化建议。     

凯乐塔水电站坝后背管设计

针对凯乐塔水电站引水发电压力钢管采用坝后背管形式,介绍了该工程压力管道布置形式、背管结构设计、钢管过缝措施等,突出了坝后背管的优点,也指出了坝后背管施工复杂、管腰混凝土易开裂等问题,故在工程设计中要根据工程的具体条件,选择合适的管道布置形式。     

三峡电站引水压力管道设计研究

三峡电站引水压力管道直径大（12．4m），条数多（26条）。为避免管道安装与大坝混凝土施工的干扰，压力管道布置采取在下游坝面预留浅槽的背管形式，管道埋入坝面以下约1／3直径。这种布置形式有利于提高管道抗震能力，缩短管道长度，减少工程量。压力管道背管部分采用钢材钢筋混凝土联合受力型式，这种管道的安全度要比明钢管高；钢衬可采用16Mn钢板，板厚在36mm以内，有利于加工焊接；钢材可立足于国内；造价要比明钢管节省。为保证钢衬钢筋混凝土管道有较大的安全度，钢衬和钢筋混凝土按各自单独承受全部内水压力时的安全系数大于1，总安全系数为2．2设计。下游坝面浅预留槽采用方圆形加小贴角的形式。浅留槽两侧直干墙段与管道之间加设软垫层。管道钢筋混凝土的厚度为2m。     

重力坝坝身管道布置形式对其抗震性能的影响

为研究重力坝坝身管道布置形式对管道抗震性能的影响,对浅埋式背管、联合承载坝内埋管和设垫层坝内埋管3种布置形式分别建立了管道与大坝整体三维有限元模型,采用时程分析法进行地震响应分析。研究表明:3种布置下钢管的动应力均较小,管道布置形式对其影响不大;管道混凝土腰部和顶部的动应力均较大,属于结构抗震薄弱环节;当管道部分露于坝体之外时,管道上弯段和斜直段动应力较大,特别是上弯段是抗震最不利之处;将管道全部埋入坝体能有效减小上述管段应力,抗震优势明显,钢管外是否设垫层影响很小。     

不同激振方向下动水压力对高面板坝面板动应力的影响

目前关于面板坝与库水动力相互作用的研究较少,而且现有的研究没有考虑库底与岸坡振动所激起的动水压力,即不能精确计算动水压力对高面板坝的影响,难以满足300 m级面板坝的安全评价要求。本文采用比例边界有限元方法计算动水压力,对坝高为300 m的面板坝进行了地震作用下三维有限元动力分析,研究了不同方向地震激励下坝面动水压力的分布规律及其对面板动应力的影响。结果表明:顺河向和坝轴向激励的动水压力最大值相差不大,而竖向激振的动水压力最大值相对较大。顺河向地震作用产生的动水压力对面板动应力有明显影响,而坝轴向地震作用下,动水压力对面板动应力有一定影响;竖向地震作用引起的动水压力对面板的动应力影响较大,不考虑动水压力时会明显低估面板的顺坡向应力最大值及高应力区范围。     

预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管非线性分析

以龙开口水电站为例,提出了预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管结构的设计方案,并采用非线性有限元理论对背管结构进行了极限承载力分析。研究了坝后背管结构的应力分布规律,并将预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管与普通钢衬钢筋混凝土坝后背管进行对比分析。研究成果表明：预应力钢衬钢筋混凝土坝后背管结构具有节省投资、避免开裂、耐久性好等优点,是一种值得广泛应用和推广的压力管道结构形式。     

埋入式压力引水钢管静动力响应分析

选取西南地区某Ⅰ等大（1）型水利工程碾压混凝土重力坝埋入式压力引水钢管作为研究对象,在常规静力分析的基础上,通过振型分解反应谱法分析坝体内埋入式压力引水钢管在场地谱设计地震作用下的动力响应情况。计算结果表明：常规静力作用下引水钢管的位移及应力均较小,压力引水钢管能够保证良好的工作性状,但在地震作用下,坝体进水口、阀室顶部和压力引水钢管转弯及岔管接头处均存在较为明显的应力集中现象,最不利静动荷载叠加时这些区域附近的混凝土材料将有小范围超过其抗拉强度,需在这些区域开展针对性的加强措施,以保障工程安全运行。     

坝后背管结构有限元分析探讨

以李家峡坝后背管为依托,借助具有强大结构分析功能的有限元软件ANSYS分析坝后背管结构应力状态。经分析单元尺度对坝后背管混凝土、钢筋的应力影响小于对钢管的影响;坝体与背管混凝土接缝面的力学效应对背管混凝土、钢筋、钢衬的应力影响很小;计算所得的应力大小规律与类似工程模型试验所得的应力分布规律完全一致,其计算值与规范中用弹性中心法所得的应力值基本接近。     

几内亚苏阿皮蒂水电站坝坡明管设计研究

苏阿皮蒂水电站主坝为碾压混凝土重力坝,最大坝高120 m,发电厂房为坝后式地面厂房。电站压力钢管采用坝坡明钢管,单管单机布置。为了解该钢管在内水压力、温度荷载及地震作用下的应力变形规律,对大坝、管道及厂房建立三维模型,利用有限单元法进行计算分析,重点研究了静、动力工况下管道位移、支座滑动、伸缩节变形及压力钢管应力分布规律。结合该工程实际,利用有限元方法对坝坡明钢管进行了计算校核,以期对我国坝坡明管的设计提供参考。     

坝后背管承载安全性能研究

采用钢筋混凝土非线性有限元法,考虑混凝土软化和分期施工过程,研究了某坝后背管的管坝接缝面应力状态、管道钢材应力和管道外包混凝土裂缝宽度,并且针对调速系统误操作引起的超载作用,研究了背管内水压超载破坏过程,评价了管道的承载安全性能,提出了减少配筋量和提高结构安全度的措施。研究表明:管道设计方案能够安全承载,结构的内水压超载安全系数为2.03;在规范"轴对称"配筋设计方法基础上,管道约束区可适当减少配筋量,环向断面不同位置可采用不同配筋量;提高主变平台以上局部管道的混凝土标号,可使结构破坏形式由局部失稳转化为整体失稳或强度破坏,能提高结构的整体安全度。     

坝后背管结构安全度初步评价

根据坝后背管结构力学弹性中心法计算结果，管腰混凝土开裂后外圈钢筋应力水平很高，有些工程甚至超过了钢筋的屈服点，远远突破了有关规范的规定，需要对背管结构的安全度进行重新评价。     

坝内埋管极限状态设计方法

在综合分析坝内埋管现行设计理论和方法的基础上，提出了坝内埋管极限状态设计方法. 该方法以钢筋混凝土非线性分析为主要手段，可以同时考虑坝体荷载、内水压力、温度荷载的作用，全面分析坝内埋管中钢管、钢筋和混凝土的应力状态和承载情况，并决定钢管壁厚和外围坝体混凝土的配筋，它对于改进坝内埋管的强度设计，具有重要实际意义。