黄河万家寨水利枢纽压力管道结构应力分析

1.施工期坝体稳定分析

由于电站首台机组发电时6条钢管预留槽难以全部回填完毕，故施工期坝体整体稳定分析为下游坝面浅埋管设计的控制因素之一。

选取电站坝段只有1条钢管槽回填完毕，其余5条均未回填，进水口工作闸门下闸蓄水作为计算工况，按施工期第1台机组发电水位970.00m，下游无水进行稳定计算。计算结果均满足规范要求。表明采用浅埋式压力钢管布置形式，由于留槽浅，坝体削弱少，施工期对坝体稳定性影响不大。

2.电站坝段三维有限元应力分析

根据电站坝段实际体形建立三维模型对压力管道在各种可能发生的工况下进行分析，计算中将钢管与外包混凝土作为整体结构进行强度计算，共同承受内水压力、温度应力及大坝承受的其他荷载引起的压力管道附加压力。计算结果见表7-24。

由表7-24可见，工况3、4、5、6、7混凝土应力值均较大，部分应力值已超过混凝土设计抗拉强度值数倍；从应力范围看，混凝土上部外缘应力较大。温度荷载对混凝土应力有较大影响，有的部位温度荷载产生的应力达3.01MPa，在设计中应予以考虑，但由于温度荷载只是对断面局部应力产生影响，且影响范围较小，同时受混凝土徐变等因素影响，温度应力将降低，故结构设计不宜将温度荷载作为控制工况。压力管道结构应力分析选取正常运行工况下最高蓄水位980.00m加水击压力作为控制工况。

表7-24　各工况应力值三维成果统计

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为充分发挥钢衬的承载力，改善外包混凝土的受力条件，结合本工程地处寒冷地区的特点，在钢衬与外包混凝土之间设置高压闭孔塑料垫层，以满足结构要求。

3.压力钢管与外围混凝土联合受力分析

根据前述计算选取压力钢管控制断面，建立压力钢管、垫层、外包混凝土联合作用的二维有限元模型，在控制工况下进行弹塑性有限元应力分析。软垫层分别选取1MPa、2MPa两种弹模，以便进行比较。典型断面计算结果见表7-25。

表7-25　典型断面应力计算成果

计算结果表明，在220°垫层范围内，钢管应力在100～150MPa，承担了60%～80%的内水压力，减轻了外包混凝土的承载负担，合理地利用了钢管的承载力，提高了钢衬外包混凝土的抗裂安全性。在垫层末端，钢管有应力集中现象产生，其最大值为194.34MPa，但其应力范围很小，且仍满足规范允许局部最大应力的要求。参照国内外已建工程经验，采用将垫层末端厚度渐变减薄等工程措施，可进一步减小钢管局部应力。

外包混凝土由于软垫层的作用，使其在垫层范围内的应力均小于混凝土设计抗拉强度，且分布趋于均匀，有利于坝体混凝土抗裂。同样，在垫层末端周围混凝土也有一定范围的应力集中区，通过渐变减薄垫层厚度等工程措施可以减小局部应力。